Polære og upolære molekyler er de to brede klasser af molekyler. Polaritet beskriver fordelingen af elektrisk ladning omkring et molekyle. Ladningen er jævnt fordelt i et ikke-polært molekyle, men ujævnt fordelt i et polært molekyle. Med andre ord har et polært molekyle områder med delvis ladning.
Her er eksempler på polære og upolære molekyler, et kig på, hvordan polaritet hænger sammen med ioniske og kovalente bindinger, og hvordan du kan bruge polaritet til at forudsige, hvilke molekyler der vil blande sig.
Polære molekyler
Et polært molekyle har en dipol, hvor en del af molekylet har en delvis positiv ladning og en del har en delvis negativ ladning. Et polært molekyle har en asymmetrisk form, et ensomt elektronpar eller et centralt atom, der er bundet til andre atomer med forskellige elektronegativitetsværdier. Et polært molekyle indeholder som regel ioniske eller polære kovalente bindinger. Eksempler på polære molekyler er f.eks:
- Vand – H2O
- Ammoniak – NH3
- Svovldioxid – SO2
- Svovlsyre – H2S
- Kulstofmonoxid – CO
- Ozon – O3
- Flussyre – HF (og andre molekyler med et enkelt H)
- Ethanol – C2H6O (og andre alkoholer med et OH i den ene ende)
- Sucrose – C12H22O11 (og andre sukkerstoffer med OH-grupper)
Polære molekyler er ofte hydrofile og opløselige i polære opløsningsmidler. Polære molekyler har ofte et højere smeltepunkt end upolære molekyler med samme molarmasse. Dette skyldes intermolekylære kræfter mellem polære molekyler, f.eks. hydrogenbinding.
Upolære molekyler
Upolære molekyler dannes enten, når elektronerne er ligeligt fordelt mellem atomerne i et molekyle, eller når elektronernes placering i et molekyle er symmetrisk, så dipolladninger ophæver hinanden. Eksempler på upolære molekyler omfatter:
- En af ædelgasserne: He, Ne, Ar, Kr, Xe (selv om de teknisk set er atomer og ikke molekyler).
- En af de homonukleare diatomare grundstoffer: H2, N2, O2, Cl2 (Disse er virkelig upolære molekyler.)
- Koldioxid – CO2
- Bor-trifluorid – BF3
- Benzen – C6H6
- Kolortetrachlorid – CCl4
- Methan – CH4
- Ethylen – C2H4
- Kulbrintevæske, såsom benzin og toluen
- De fleste organiske molekyler, med undtagelser (som alkoholer og sukkerarter)
Upolære molekyler har nogle fælles egenskaber. De har en tendens til at være uopløselige i vand ved stuetemperatur, hydrofobiske og i stand til at opløse andre upolære forbindelser.
Upolære molekyler med polære bindinger
Polariteten afhænger af de relative elektronegativitetsværdier mellem to atomer, der danner en kemisk binding. To atomer med de samme elektronegativitetsværdier danner en kovalent binding. Elektronerne deles ligeligt mellem atomerne i en kovalent binding, så bindingen er upolær. Atomer med lidt forskellige elektronegativitetsværdier danner polære kovalente bindinger. Når elektronegativitetsværdierne mellem atomerne er meget forskellige, dannes der ioniske bindinger. Ioniske bindinger er meget polære.
Ofte er bindingernes polaritet den samme som molekylets polaritet. Der findes dog upolære molekyler med polære bindinger og polære molekyler med upolære bindinger! For eksempel er bor-trifluorid et upolært molekyle, der indeholder polære kovalente bindinger. BF3 er et trigonalt plant molekyle, som fordeler den elektriske ladning jævnt rundt om molekylet, selv om bindingen mellem bor- og fluoratomerne er polær. Ozon er et eksempel på et polært molekyle, der består af ikke-polære kovalente bindinger. De kemiske bindinger mellem iltmolekylerne i O3 er rent kovalente, fordi atomerne har identiske elektronegativitetsværdier. Ozonmolekylet har imidlertid en bøjet form (ligesom vand), og dets elektroner tilbringer ikke lige meget tid med alle tre atomer. Det midterste atom har en delvis positiv elektrisk ladning, mens de to yderste atomer hver bærer en delvis negativ ladning.
Polaritet og blandbarhed
Du kan bruge polaritet til at forudsige, om to forbindelser er blandbare (vil blande sig og danne en opløsning) eller ej. Tommelfingerreglen er, at “ens opløses ens”. Det betyder, at polære opløsningsmidler opløser polære opløsningsstoffer, mens upolære opløsningsmidler opløser upolære opløsningsstoffer. Dette forklarer, hvorfor alkohol og vand er fuldstændig blandbare (begge polære), og hvorfor olie og vand ikke blandes (upolært med polært).
En forbindelse med en mellemliggende polaritet mellem et molekyle og et andet kan fungere som et mellemled for at opløse et kemikalie i et opløsningsmiddel, når det normalt er uopløseligt. Hvis man f.eks. vil blande en ionisk eller polær forbindelse i et organisk upolært opløsningsmiddel, kan man først opløse den i ethanol. Ethanol er kun svagt polært, men ofte er det nok til at opløse den opløste substans. Når det polære molekyle er opløst, blandes ethanolopløsningen i et upolært organisk opløsningsmiddel, som f.eks. xylen eller benzen.
- Ingold, C. K.; Ingold, E. H. (1926). “The Nature of the Alternating Effect in Carbon Chains. Part V. A Discussion of Aromatic Substitution with Special Reference to Respective Roles of Polar and Nonpolar Dissociation; and a Further Study of the Relative Directive Efficiencies of Oxygen and Nitrogen”. J. Chem. Soc.: 1310-1328. doi:10.1039/jr9262901310
- Mack, Kenneth M.; Muenter, J. S. (1977). “Stark- og Zeeman-egenskaber af ozon fra molekylærstråle-spektroskopi”. Journal of Chemical Physics. 66 (12): 5278-5283. doi:10.1063/1.433909
- Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3. udgave). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
- Ziaei-Moayyed, Maryam; Goodman, Edward; Williams, Peter (1. november 2000). “Elektrisk afbøjning af polære væskestrømme: A Misunderstood Demonstration”. Journal of Chemical Education. 77 (11): 1520. doi:10.1021/ed077p1520