Polära och opolära molekyler är de två breda klasserna av molekyler. Polaritet beskriver fördelningen av elektrisk laddning runt en molekyl. Laddningen är jämnt fördelad i en opolär molekyl, men ojämnt fördelad i en polär molekyl. Med andra ord har en polär molekyl områden med partiell laddning.
Här finns exempel på polära och opolära molekyler, en titt på hur polaritet förhåller sig till joniska och kovalenta bindningar och hur du kan använda polaritet för att förutsäga vilka molekyler som kommer att blandas.
Polära molekyler
En polär molekyl har en dipol, där en del av molekylen har en partiell positiv laddning och en del har en partiell negativ laddning. En polär molekyl har en asymmetrisk form, ett ensam elektronpar eller en central atom som är bunden till andra atomer med olika elektronegativitetsvärden. Vanligtvis innehåller en polär molekyl joniska eller polära kovalenta bindningar. Exempel på polära molekyler är:
- Vatten – H2O
- Ammoniak – NH3
- Svaveldioxid – SO2
- Svavelsyra – H2S
- Kolmonoxid – CO
- Ozon – O3
- Flourvattensyra – HF (och andra molekyler med ett enda H)
- Ethanol – C2H6O (och andra alkoholer med OH i ena änden)
- Sackaros – C12H22O11 (och andra sockerarter med OH-grupper)
Polära molekyler är ofta hydrofila och lösliga i polära lösningsmedel. Polära molekyler har ofta högre smältpunkter än opolära molekyler med liknande molmassa. Detta beror på intermolekylära krafter mellan polära molekyler, t.ex. vätebindning.
Nonpolära molekyler
Nonpolära molekyler bildas antingen när elektroner delas lika mellan atomer i en molekyl eller när arrangemanget av elektroner i en molekyl är symmetriskt så att dipolladdningar upphäver varandra. Exempel på opolära molekyler är:
- Någon av ädelgaserna: He, Ne, Ar, Kr, Xe (även om dessa tekniskt sett är atomer och inte molekyler).
- Någon av de homonukleära diatomära grundämnena: H2, N2, O2, Cl2 (Dessa är verkligen opolära molekyler.)
- Koldioxid – CO2
- Bortrifluorid – BF3
- Bensen – C6H6
- Kolftetraklorid – CCl4
- Kolftetraklorid – CCl4
- Metan – CH4
- Etylen – C2H4
- Kolvätska med kolväten, såsom bensin och toluen
- De flesta organiska molekyler, med undantag (som alkoholer och sockerarter)
Opolära molekyler har vissa gemensamma egenskaper. De tenderar att vara vattenolösliga vid rumstemperatur, hydrofoba och kan lösa upp andra opolära föreningar.
Opolära molekyler med polära bindningar
Polaritet beror på de relativa elektronegativitetsvärdena mellan två atomer som bildar en kemisk bindning. Två atomer med samma elektronegativitetsvärden bildar en kovalent bindning. Elektronerna delas jämnt mellan atomerna i en kovalent bindning, så bindningen är opolär. Atomer med något olika elektronegativitet bildar polära kovalenta bindningar. När elektronegativitetsvärdena mellan atomer är mycket olika bildas joniska bindningar. Joniska bindningar är mycket polära.
Ofta är bindningarnas polaritet samma som molekylens polaritet. Det finns dock opolära molekyler med polära bindningar och polära molekyler med opolära bindningar! Bortrifluorid är till exempel en opolär molekyl som innehåller polära kovalenta bindningar. BF3 är en trigonal plan molekyl som fördelar elektrisk laddning jämnt runt molekylen, trots att bindningen mellan bor- och fluoratomerna är polär. Ozon är ett exempel på en polär molekyl som består av opolära kovalenta bindningar. De kemiska bindningarna mellan syremolekylerna i O3 är rent kovalenta eftersom atomerna har identiska elektronegativitetsvärden. Ozonmolekylen har dock en böjd form (som vatten) och dess elektroner tillbringar inte lika mycket tid med alla tre atomerna. Den mittersta atomen har en delvis positiv elektrisk laddning, medan de två yttre atomerna har vardera en delvis negativ laddning.
Polaritet och blandbarhet
Du kan använda polaritet för att förutsäga om två föreningar är blandbara (kommer att blandas för att bilda en lösning) eller inte. Tumregeln är att ”lika löser lika”. Detta innebär att polära lösningsmedel löser upp polära lösningsmedel, medan opolära lösningsmedel löser upp opolära lösningsmedel. Detta förklarar varför alkohol och vatten är helt blandbara (båda polära) och varför olja och vatten inte blandas (opolärt med polärt).
En förening med en intermediär polaritet mellan en molekyl och en annan kan fungera som en mellanhand för att lösa upp en kemikalie i ett lösningsmedel när den normalt är olöslig. Om man till exempel vill blanda en jonisk eller polär förening i ett organiskt opolärt lösningsmedel kan man först lösa upp den i etanol. Etanol är endast svagt polärt, men ofta räcker det för att lösa upp lösningen. När den polära molekylen har lösts upp blandar du etanollösningen i ett opolärt organiskt lösningsmedel, till exempel xylen eller bensen.
- 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 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 (3:e upplagan). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
- Ziaei-Moayyed, Maryam; Goodman, Edward; Williams, Peter (1 november 2000). ”Elektrisk avböjning av polära vätskeströmmar: A Misunderstood Demonstration”. Journal of Chemical Education. 77 (11): 1520. doi:10.1021/ed077p1520