Polaariset ja poolittomat molekyylit ovat kaksi laajaa molekyylien luokkaa. Polaarisuus kuvaa sähkövarauksen jakautumista molekyylin ympärille. Varaus on jakautunut tasaisesti poolittomassa molekyylissä, mutta epätasaisesti poolisessa molekyylissä. Toisin sanoen polaarisessa molekyylissä on alueita, joilla on osittaisia varauksia.
Tässä on esimerkkejä polaarisista ja ei-polaarisista molekyyleistä, tarkastellaan, miten polariteetti liittyy ionisiin ja kovalenttisiin sidoksiin ja miten voit käyttää polariteettia ennustamaan, mitkä molekyylit sekoittuvat keskenään.
Polaariset molekyylit
Polaarisessa molekyylissä on dipoli, jossa osalla molekyyleistä on osittainen positiivinen varaus ja osalla negatiivinen varaus. Poolisella molekyylillä on epäsymmetrinen muoto, yksinäinen elektronipari tai keskeinen atomi, joka on sitoutunut muihin atomeihin, joilla on eri elektronegatiivisuusarvot. Yleensä polaarinen molekyyli sisältää ionisidoksia tai polaarisia kovalenttisia sidoksia. Esimerkkejä polaarisista molekyyleistä ovat mm:
- Vesi – H2O
- Ammoniakki – NH3
- Rikkidioksidi – SO2
- Vetysulfidi – H2S
- Hiilimonoksidi – CO
- Ozon – O3
- Fluorivetyhappo – HF (ja muita molekyylit, joissa on yksi H)
- Etanoli – C2H6O (ja muut alkoholit, joiden toisessa päässä on OH)
- Sukroosi – C12H22O11 (ja muut sokerit, joissa on OH-ryhmiä)
Polaariset molekyylit ovat usein hydrofiilisiä ja liukenevat polaarisiin liuottimiin. Poolisilla molekyyleillä on usein korkeampi sulamispiste kuin poolittomilla molekyyleillä, joilla on samanlainen moolimassa. Tämä johtuu polaaristen molekyylien välisistä molekyylien välisistä voimista, kuten vetysidoksesta.
Nonpolaariset molekyylit
Nonpolaariset molekyylit muodostuvat joko silloin, kun elektronit jakautuvat tasan molekyylin atomien kesken, tai silloin, kun elektronien sijoittelu molekyylissä on symmetrinen niin, että dipolivaraukset kumoavat toisensa. Esimerkkejä poolittomista molekyyleistä ovat:
- Kaikki jalokaasut:
- Mikä tahansa homoydinatomisista kaksiatomisista alkuaineista: He, Ne, Ar, Kr, Xe (vaikkakin teknisesti nämä ovat atomeja eivätkä molekyylejä): H2, N2, O2, Cl2 (Nämä ovat todella poolittomia molekyylejä.)
- Hiilidioksidi – CO2
- Booritrifluoridi – BF3
- Bentseeni – C6H6
- Hiilitetrakloridi – CCl4
- Metaani – CH4
- Etyleeni – C2H4
- Hiilivetyjen nesteet, kuten bensiini ja tolueeni
- Useimmilla orgaanisilla molekyyleillä, poikkeuksia lukuun ottamatta (kuten alkoholit ja sokerit)
Epänapaisilla molekyyleillä on joitakin yhteisiä ominaisuuksia. Ne ovat yleensä huoneenlämmössä veteen liukenemattomia, hydrofobisia ja kykenevät liuottamaan muita poolittomia yhdisteitä.
Nonpolariset molekyylit, joilla on polaarisia sidoksia
Polariteetti riippuu kahden kemiallisen sidoksen muodostavan atomin suhteellisista elektronegatiivisuusarvoista. Kaksi atomia, joilla on samat elektronegatiivisuusarvot, muodostavat kovalenttisen sidoksen. Elektronit jakautuvat tasaisesti kovalenttisen sidoksen atomien kesken, joten sidos on pooliton. Atomit, joiden elektronegatiivisuusarvot eroavat hieman toisistaan, muodostavat poolisia kovalenttisia sidoksia. Kun atomien väliset elektronegatiivisuusarvot ovat hyvin erilaiset, muodostuu ionisidoksia. Ionisidokset ovat erittäin poolisia.
Usein sidosten poolisuus on sama kuin molekyylin poolisuus. On kuitenkin olemassa poolittomia molekyylejä, joilla on poolisia sidoksia, ja poolisia molekyylejä, joilla on poolittomia sidoksia! Esimerkiksi booritrifluoridi on pooliton molekyyli, joka sisältää poolisia kovalenttisia sidoksia. BF3 on trigonaalinen tasomolekyyli, joka jakaa sähkövarauksen tasaisesti molekyylin ympärille, vaikka boori- ja fluoriatomien välinen sidos on poolinen. Otsoni on esimerkki poolittomista kovalenttisista sidoksista koostuvasta poolisesta molekyylistä. O3:n happimolekyylien väliset kemialliset sidokset ovat puhtaasti kovalenttisia, koska atomien elektronegatiivisuusarvot ovat samat. Otsonimolekyylillä on kuitenkin taivutettu muoto (kuten vedellä), eivätkä sen elektronit vietä yhtä paljon aikaa kaikkien kolmen atomin kanssa. Keskimmäisellä atomilla on osittain positiivinen sähkövaraus, kun taas kahdella ulommalla atomilla on kummallakin osittain negatiivinen varaus.
Polariteetti ja sekoittuvuus
Polariteetin avulla voit ennustaa, ovatko kaksi yhdistettä sekoittuvia (sekoittuvat liuokseksi). Nyrkkisääntö on, että ”samanlainen liukenee samanlaisena”. Tämä tarkoittaa, että pooliset liuottimet liuottavat poolisia liuottimia, kun taas poolittomat liuottimet liuottavat poolittomia liuottimia. Tämä selittää, miksi alkoholi ja vesi ovat täysin sekoittuvia (molemmat polaarisia) ja miksi öljy ja vesi eivät sekoitu keskenään (poolittomia ja polaarisia).
Yhdiste, jolla on molekyylin ja toisen molekyylin välissä oleva polariteetti, voi toimia välikappaleena, joka liuottaa kemikaalin liuottimeen, kun se normaalisti on liukenematon. Jos esimerkiksi haluat sekoittaa ionisen tai polaarisen yhdisteen orgaaniseen poolittomaan liuottimeen, voit ensin liuottaa sen etanoliin. Etanoli on vain vähän polaarinen, mutta usein se riittää liuottamaan liuenneen aineen. Kun polaarinen molekyyli on liuennut, sekoita etanoliliuos poolittomaan orgaaniseen liuottimeen, kuten ksyleeniin tai bentseeniin.
- Ingold, C. K.; Ingold, E. H. (1926). ”Vuorovaikutuksen luonne hiiliketjuissa. 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). ”Otsonin Stark- ja Zeeman-ominaisuudet molekyylisäteispektroskopiasta”. Journal of Chemical Physics. 66 (12): 5278-5283. doi:10.1063/1.433909
- Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3. painos). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
- Ziaei-Moayyed, Maryam; Goodman, Edward; Williams, Peter (1.11.2000). ”Polaaristen nestevirtojen sähköinen taipuminen: A Misunderstood Demonstration”. Journal of Chemical Education. 77 (11): 1520. doi:10.1021/ed077p1520
.