Cząsteczki polarne i niepolarne to dwie szerokie klasy cząsteczek. Biegunowość opisuje rozkład ładunku elektrycznego wokół cząsteczki. Ładunek jest rozmieszczony równomiernie w cząsteczce niepolarnej, ale nierównomiernie w cząsteczce polarnej. Innymi słowy, polarna cząsteczka ma regiony częściowego naładowania.
Oto przykłady polarnych i niepolarnych cząsteczek, spojrzenie na to, jak polarność odnosi się do wiązań jonowych i kowalencyjnych, i jak można użyć polarności, aby przewidzieć, które cząsteczki będą się mieszać.
Molekuły polarne
Cząsteczka polarna ma dipol, gdzie część cząsteczki ma częściowy ładunek dodatni, a część ma częściowy ładunek ujemny. Cząsteczka polarna ma asymetryczny kształt, samotną parę elektronową lub centralny atom związany z innymi atomami o różnych wartościach elektroujemności. Zazwyczaj cząsteczka polarna zawiera wiązania jonowe lub polarne wiązania kowalencyjne. Przykłady cząsteczek polarnych obejmują:
- Woda – H2O
- Amoniak – NH3
- Dwutlenek siarki – SO2
- Siarkowodór – H2S
- Tlenek węgla – CO
- Ozon – O3
- Kwas fluorowodorowy – HF (i in. cząsteczki z pojedynczym H)
- Etanol – C2H6O (i inne alkohole z OH na jednym końcu)
- Sukroza – C12H22O11 (i inne cukry z grupami OH)
Cząsteczki polarne są często hydrofilowe i rozpuszczalne w polarnych rozpuszczalnikach. Polarne cząsteczki często mają wyższe temperatury topnienia niż niepolarne cząsteczki o podobnych masach molowych. Jest to spowodowane siłami międzycząsteczkowymi między cząsteczkami polarnymi, takimi jak wiązanie wodorowe.
Molekuły niepolarne
Molekuły niepolarne tworzą się albo wtedy, gdy elektrony są równo podzielone między atomy w cząsteczce, albo gdy rozmieszczenie elektronów w cząsteczce jest symetryczne, tak że ładunki dipolowe znoszą się nawzajem. Przykłady cząsteczek niepolarnych obejmują:
- Każdy z gazów szlachetnych: He, Ne, Ar, Kr, Xe (Chociaż technicznie są to atomy, a nie cząsteczki.)
- Każdy z homonuklearnych pierwiastków dwuatomowych: H2, N2, O2, Cl2 (Są to naprawdę niepolarne cząsteczki.)
- Dwutlenek węgla – CO2
- Trójfluorek boru – BF3
- Benzen – C6H6
- Czterochlorek węgla – CCl4
- Metan – CH4
- Etylen – C2H4
- Płyny węglowodorowe, takie jak benzyna i toluen
- Większość cząsteczek organicznych, z wyjątkami (jak alkohole i cukry)
Cząsteczki niepolarne mają pewne wspólne właściwości. Mają tendencję do być nierozpuszczalne w wodzie w temperaturze pokojowej, hydrofobowe i zdolne do rozpuszczania innych związków nonpolar.
Nonpolar Molecules With Polar Bonds
Polaryzacja zależy od względnych wartości elektronegativity między dwoma atomami tworzącymi wiązanie chemiczne. Dwa atomy o tych samych wartościach elektroujemności tworzą wiązanie kowalencyjne. Elektrony są dzielone równomiernie pomiędzy atomy w wiązaniu kowalencyjnym, więc wiązanie jest niepolarne. Atomy o nieco innych wartościach elektroujemności tworzą polarne wiązania kowalencyjne. Gdy wartości elektroujemności pomiędzy atomami są bardzo różne, tworzą się wiązania jonowe. Wiązania jonowe są wysoce polarne.
Często polarność wiązań jest taka sama jak polarność cząsteczki. Jednakże, istnieją cząsteczki niepolarne z wiązaniami polarnymi i cząsteczki polarne z wiązaniami niepolarnymi! Na przykład, trifluorek boru jest niepolarną cząsteczką, która zawiera polarne wiązania kowalencyjne. BF3 jest cząsteczką o planie trójkątnym, która równomiernie rozprowadza ładunek elektryczny wokół cząsteczki, mimo że wiązanie pomiędzy atomami boru i fluoru jest polarne. Ozon jest przykładem polarnej cząsteczki zbudowanej z niepolarnych wiązań kowalencyjnych. Wiązania chemiczne pomiędzy cząsteczkami tlenu w O3 są czysto kowalencyjne, ponieważ atomy mają identyczne wartości elektroujemności. Jednak cząsteczka ozonu ma wygięty kształt (jak woda) i elektrony nie spędzają tyle samo czasu ze wszystkimi trzema atomami. Środkowy atom ma częściowy dodatni ładunek elektryczny, podczas gdy dwa zewnętrzne atomy mają częściowy ładunek ujemny.
Polaryzacja i mieszalność
Możesz użyć polaryzacji do przewidzenia, czy dwa związki są mieszalne (będą się mieszać tworząc roztwór). Zasadą kciuka jest, że „podobne rozpuszcza się podobne”. Oznacza to, że polarne rozpuszczalniki rozpuszczają polarne rozpuszczalniki, podczas gdy niepolarne rozpuszczalniki rozpuszczają niepolarne rozpuszczalniki. To wyjaśnia, dlaczego alkohol i woda są całkowicie mieszalne (oba polarne) i dlaczego olej i woda nie mieszają się (niepolarne z polarnymi).
Związek o pośredniej polarności między jedną cząsteczką a drugą może działać jako pośrednik, aby rozpuścić substancję chemiczną w rozpuszczalniku, gdy jest ona normalnie nierozpuszczalna. Na przykład, aby zmieszać związek jonowy lub polarny z organicznym rozpuszczalnikiem niepolarnym, można najpierw rozpuścić go w etanolu. Etanol jest tylko lekko polarny, ale często wystarcza do rozpuszczenia rozpuszczalnika. Po rozpuszczeniu polarnej cząsteczki, zmieszaj roztwór etanolu z niepolarnym rozpuszczalnikiem organicznym, takim jak ksylen lub benzen.
- Ingold, C. K.; Ingold, E. H. (1926). „The Nature of the Alternating Effect in Carbon Chains. Część V. Dyskusja Aromatic Substitution ze specjalnym odniesieniem do odpowiednich ról polarnych i niepolarnych dysocjacji; i dalsze badania względnej dyrektywy efektywności tlenu i azotu”. 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”. Journal of Chemical Physics. 66 (12): 5278-5283. doi:10.1063/1.433909
- Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3rd ed.). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
- Ziaei-Moayyed, Maryam; Goodman, Edward; Williams, Peter (November 1,2000). „Elektryczne odchylenie polarnych strumieni cieczy: A Misunderstood Demonstration”. Journal of Chemical Education. 77 (11): 1520. doi:10.1021/ed077p1520
.