Polaire en apolaire moleculen zijn de twee grote klassen van moleculen. De polariteit beschrijft de verdeling van de elektrische lading rond een molecuul. In een apolair molecuul is de lading gelijkmatig verdeeld, maar in een polair molecuul is de lading ongelijkmatig verdeeld. Met andere woorden, een polair molecuul heeft gebieden met gedeeltelijke lading.
Hier zijn voorbeelden van polaire en niet-polaire moleculen, een blik op hoe polariteit zich verhoudt tot ionische en covalente bindingen, en hoe je polariteit kunt gebruiken om te voorspellen welke moleculen zullen mengen.
Polaire moleculen
Een polair molecuul heeft een dipool, waarbij een deel van het molecuul een gedeeltelijke positieve lading heeft en een deel een gedeeltelijke negatieve lading heeft. Een polair molecuul heeft een asymmetrische vorm, een eenzaam elektronenpaar, of een centraal atoom dat gebonden is aan andere atomen met verschillende elektronegativiteitswaarden. Gewoonlijk bevat een polair molecuul ionische of polaire covalente bindingen. Voorbeelden van polaire moleculen zijn:
- Water – H2O
- Ammoniak – NH3
- Zwaveldioxide – SO2
- Waterstofsulfide – H2S
- Koolstofmonoxide – CO
- Ozon – O3
- Waterstoffluoride – HF (en andere moleculen met een enkele H)
- Ethanol – C2H6O (en andere alcoholen met een OH aan één uiteinde)
- Sucrose – C12H22O11 (en andere suikers met OH groepen)
Polaire moleculen zijn vaak hydrofiel en oplosbaar in polaire oplosmiddelen. Polaire moleculen hebben vaak hogere smeltpunten dan apolaire moleculen met vergelijkbare molaire massa’s. Dit komt door intermoleculaire krachten tussen polaire moleculen, zoals waterstofbinding.
Nonpolaire moleculen
Nonpolaire moleculen ontstaan ofwel wanneer elektronen gelijk verdeeld zijn tussen atomen in een molecuul of wanneer de rangschikking van elektronen in een molecuul symmetrisch is, zodat dipoolladingen elkaar opheffen. Voorbeelden van niet polaire moleculen zijn:
- Een van de edelgassen: He, Ne, Ar, Kr, Xe (Hoewel, technisch gezien zijn dit atomen en geen moleculen.)
- Een van de homonucleaire diatomeeënelementen: H2, N2, O2, Cl2 (Dit zijn echt niet polaire moleculen.)
- Koolstofdioxide – CO2
- Boortrifluoride – BF3
- Benzeen – C6H6
- Koolstoftetrachloride – CCl4
- Methaan – CH4
- Ethyleen – C2H4
- Koolwaterstofvloeistoffen, zoals benzine en tolueen
- De meeste organische moleculen, met uitzonderingen (zoals alcoholen en suikers)
Nonpolaire moleculen hebben enkele gemeenschappelijke eigenschappen. Ze zijn meestal onoplosbaar in water bij kamertemperatuur, hydrofoob, en in staat om andere apolaire verbindingen op te lossen.
Nonpolaire Moleculen Met Polaire Bindingen
Polariteit hangt af van de relatieve elektronegativiteitswaarden tussen twee atomen die een chemische binding vormen. Twee atomen met dezelfde elektronegativiteitswaarden vormen een covalente binding. Elektronen worden gelijkelijk verdeeld tussen atomen in een covalente binding, dus de binding is niet polair. Atomen met licht verschillende elektronegativiteitswaarden vormen polaire covalente bindingen. Als de elektronegativiteit tussen atomen heel verschillend is, ontstaan ionische bindingen. Ionische bindingen zijn sterk polair.
Vaak is de polariteit van de bindingen gelijk aan de polariteit van het molecuul. Er zijn echter apolaire moleculen met polaire bindingen en polaire moleculen met apolaire bindingen! Boor-trifluoride bijvoorbeeld is een apolair molecuul dat polaire covalente bindingen bevat. BF3 is een trigonaal planair molecuul dat de elektrische lading gelijkmatig over het molecuul verdeelt, ook al is de binding tussen de boor- en fluoratomen polair. Ozon is een voorbeeld van een polair molecuul dat is opgebouwd uit niet-polaire covalente bindingen. De chemische bindingen tussen zuurstofmoleculen in O3 zijn zuiver covalent omdat de atomen identieke elektronegativiteitswaarden hebben. De ozonmolecule heeft echter een gebogen vorm (zoals water) en de elektronen brengen niet evenveel tijd door met alle drie de atomen. Het middelste atoom heeft een gedeeltelijk positieve elektrische lading, terwijl de twee buitenste atomen elk een gedeeltelijk negatieve lading hebben.
Polariteit en mengbaarheid
Je kunt polariteit gebruiken om te voorspellen of twee verbindingen mengbaar zijn of niet (zullen mengen tot een oplossing). De vuistregel is dat “hetzelfde oplost als het andere.” Dit betekent dat polaire oplosmiddelen polaire oplosmiddelen oplossen, terwijl niet-polaire oplosmiddelen niet-polaire oplosmiddelen oplossen. Dit verklaart waarom alcohol en water volledig mengbaar zijn (beide polair) en waarom olie en water niet mengen (niet polair met polair).
Een verbinding met een tussenliggende polariteit tussen het ene molecuul en het andere kan fungeren als een go-between om een chemische stof op te lossen in een oplosmiddel wanneer het normaal niet oplosbaar is. Om bijvoorbeeld een ionische of polaire verbinding in een organisch, apolair oplosmiddel op te lossen, kan men deze eerst in ethanol oplossen. Ethanol is slechts in geringe mate polair, maar vaak is dat voldoende om de stof op te lossen. Nadat het polaire molecuul is opgelost, meng je de ethanoloplossing in een apolair organisch oplosmiddel, zoals xyleen of benzeen.
- Ingold, C.K.; Ingold, E.H. (1926). “De aard van het wisselend effect in koolstofketens. 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 and Zeeman properties of ozone from molecular beam spectroscopy”. Tijdschrift voor Chemische Fysica. 66 (12): 5278-5283. doi:10.1063/1.433909
- Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3e ed.). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
- Ziaei-Moayyed, Maryam; Goodman, Edward; Williams, Peter (1 november 2000). “Elektrische afbuiging van polaire vloeistofstromen: A Misunderstood Demonstration”. Tijdschrift voor Chemisch Onderwijs. 77 (11): 1520. doi:10.1021/ed077p1520