В молекулах положительные заряды ядер скомпенсированы отрицательными зарядами электронов. Однако положительные и отрицательные заряды могут быть пространственно разделены. Предположим, что молекула состоит из атомов разных элементов (НС1, СО и т. д.). В этом случае электроны смещены к атому с большей электроотрицательностью и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, образуется электрический диполь - система из двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l , называемом длиной диполя. Длина диполя - векторная величина. Ее направление условно принято от отрицательного заряда к положительному. Такие молекулы называют полярными молекулами или диполями.
Полярность молекулы тем больше, чем больше абсолютная величина заряда и длина диполя. Мерой полярности служит произведение q . l, называемое электрическим моментом диполя μ: μ = q . l.
Единицей измерения μ служит Дебай (Д). 1 Д = 3,3 . 10 -30 Кл. м.
В молекулах, состоящих из двух одинаковых атомов μ = 0. Их называют неполярными. Если такая частица попадает в электрическое поле, то в ней под действием поля произойдет поляризация - смещение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов. В частице возникает электрический момент диполя, называемый наведенным диполем.
Дипольный момент двухатомной молекулы АВ можно отождествить с дипольным моментом связи А-В в ней. Если общая электронная пара смещена к одному из атомов, то электрический момент диполя связи не равен нулю. Связь в этом случае называется полярной ковалентной связью. Если электронная пара симметрично расположена относительно атомов, то связь называется неполярной.
В многоатомной молекуле определенный электрический момент диполя можно приписать каждой связи. Тогда электрический момент диполя молекулы может быть представлен как векторная сумма электрических моментов диполя отдельных связей. Существование или отсутствие момента диполя у молекулы связано с ее симметрией. Молекулы, имеющие симметричное строение, неполярны (μ = 0). К ним относятся двухатомные молекулы с одинаковыми атомами (Н 2 , С1 2 и др.), молекула бензола, молекулы с полярными связями BF 3 , A1F 3 , CO 2 , ВеС1 2 и др.
Электрический момент диполя молекулы является важным молекулярным параметром. Знание величины μ может указать на геометрическую структуру молекулы. Так, например, полярность молекулы воды указывает на ее угловую структуру, а отсутствие момента диполя СО 2 - на ее линейность.
Ионная связь
Предельным случаем ковалентной полярной связи является ионная связь. Если электроотрицательности атомов различаются очень сильно (например, атомов щелочных металлов и галогенов), то при их сближении валентные электроны одного атома полностью переходят на второй атом. В результате этого перехода оба атома становятся ионами и принимают электронную структуру ближайшего благородного газа. Например, при взаимодействии атомов натрия и хлора, они превращаются в ионы Na + и Сl - , между которыми возникает электростатическое притяжение. Ионная связь может быть описана в рамках методов ВС и МО, однако обычно ее рассматривают с помощью классических законов электростатики.
Молекулы, в которых существует в чистом виде ионная связь, встречаются в парообразном состоянии вещества. Ионные кристаллы состоят из бесконечных рядов чередующихся положительных и отрицательных ионов, связанных электростатическими силами. При растворении ионных кристаллов или их плавлении в раствор или расплав переходят положительные и отрицательные ионы.
Следует отметить, что ионные связи обладают большой прочностью, поэтому для разрушения ионных кристаллов необходимо затратить большую энергию. Этим объясняется тот факт, что ионные соединения имеют высокие температуры плавления.
В отличие от ковалентной связи ионная не обладает свойствами насыщаемости и направленности. Причина этого состоит в том, что электрическое поле, создаваемое ионами, имеет сферическую симметрию и действует одинаково на все ионы. Поэтому количество ионов, окружающих данный ион, и их пространственное расположение определяются только величинами зарядов ионов и их размерами.
Рассматривая ионную связь, необходимо иметь в виду, что при электростатическом взаимодействии между ионами происходит их деформация, называемая поляризацией. На рис. 2.1, а изображены два взаимодействующие электростатически нейтральных иона и сохраняющие идеально сферическую форму. На рис. 2.1, б показана поляризация ионов, которая приводит к уменьшению эффективного расстояния между центрами положительных и отрицательных зарядов. Чем больше поляризация ионов, тем меньше степень ионности связи, т. е. тем больше ковалентный характер связи между ними. В кристаллах поляризация оказывается невысокой, т. к. ионы симметрично окружены ионами противоположного знака и ион подвергается одинаковому воздействию во всех направлениях.
При образовании ковалентной связи между разноименными атомами связующая пара электронов смещается в сторону более электроотрицательного атома. Это приводит к поляризации молекул, поэтому все двухатомные молекулы, состоящие из несходных элементов, оказываются в той или иной мере полярными. В более сложных молекулах полярность зависит и от геометрии молекулы. Для появления полярности необходимо, чтобы центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадали.
В молекуле С0 2 связи углерод - кислород полярны, причем на атоме углерода находится некоторый положительный заряд, а на каждом из атомов кислорода - такой же отрицательный заряд. Следовательно, на атоме углерода сосредоточен центр положительного заряда. Поскольку атомы кислорода расположены на одной прямой но обе стороны от атома углерода (молекула линейная) на равных расстояниях, то положительный заряд нейтрализуется. Таким образом, несмотря на полярность каждой связи в СО., вся молекула в целом является неполярной и причиной этого явля-
Рис. 434. Примеры структуры и полярности молекул ется ее линейное строение. Наоборот, молекула S=C=0 полярна, так как связи углерод - сера и углерод - кислород имеют различную длину и различную полярность. На рис. 4.34 показаны структуры и полярность некоторых молекул.
Из приведенных примеров следует, что если атомы или группы атомов, присоединенные к центральному атому, одинаковы или расположены симметрично относительно него (линейные, плоские треугольные, тетраэдрические и другие структуры), то молекула окажется неполярной. Если к центральному атому присоединены неодинаковые группы или имеет место несимметричное расположение групп, то молекулы являются полярными.
Важное значение при рассмотрении полярных связей имеет эффективный заряд атомов в молекуле. Например, в молекуле НС1 связующее электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома хлора, вследствие чего заряд ядра водорода не компенсируется, а на атоме хлора электронная плотность становится избыточной по сравнению с зарядом его ядра. Поэтому атом водорода поляризован положительно, а атом хлора - отрицательно. На атоме водорода возникает положительный заряд, а на атоме хлора - отрицательный. Этот заряд 8, называемый эффективным зарядом, обычно устанавливается экспериментально. Так, для водорода 8 Н = +0,18, а для хлора 5 С, = -0,18 абсолютного заряда электрона, вследствие этого связь в молекуле НС1 имеет на 18% ионный характер (т.е. степень ионности равна 0,18).
Поскольку полярность связи зависит от степени смещения связующей пары электронов в сторону более электроотрицательного элемента, то необходимо при этом учитывать следующее:
- а) электроотрицательность (ЭО) - не строгая физическая величина, которую можно определить непосредственно экспериментально;
- б) значение электроотрицательности не постоянно, а зависит от природы другого атома, с которым связан данный атом;
- в) один и тот же атом в данной химической связи иногда может функционировать и как электроположительный, и как электроотрицательный.
Экспериментальные данные говорят о том, что элементам можно приписать относительные значения электроотрицательностей (ОЭО), использование которых позволяет судить о степени полярности связи между атомами в молекуле (см. также параграфы 3.6 и 4.3).
В молекуле, состоящей из двух атомов, полярность ковалентной связи тем больше, чем выше ОЭО одного из них, поэтому с увеличением ОЭО второго элемента степень ионности соединения растет.
Для характеристики реакционной способности молекул важное значение имеет не только характер распределения электронной плотности, но и возможность ее изменения под влиянием внешнего воздействия. Мерой этого изменения служит поляризуемость связи, т.е. ее способность становиться полярной или еще более полярной. Поляризация связи происходит как под воздействием внешнего электрического поля, так и под влиянием другой молекулы, являющейся партнером по реакции. Результатом этих воздействий может быть поляризация связи, сопровождающаяся ее полным разрывом. При этом связующая пара электронов остается у более электроотрицательного атома, что приводит к образованию разноименных ионов. Такой тип разрыва связи называется тетеролитическим. Например:
В приведенном примере асимметричного разрыва связи водород отщепляется в виде Н + -иона, а связующая пара электронов остается у хлора, поэтому последний превращается в анион С1 .
Кроме такого типа разрыва связи возможен и симметричный разрыв, когда образуются не ионы, а атомы и радикалы. Такой тип разрыва связи называется гомолитическим.
На водородном атоме +0,17, а на атоме хлора −0,17.
В качестве количественной меры полярности связи чаще всего используются так называемые эффективные заряды на атомах.
Эффективный заряд определяется как разность между зарядом электронов, находящимся в некоторой области пространства вблизи ядра, и зарядом ядра. Однако эта мера имеет лишь условный и приблизительный [относительный] смысл, поскольку невозможно однозначно выделить в молекуле область, относящуюся исключительно к отдельному атому, а при нескольких связях - к конкретной связи.
Наличие эффективного заряда может быть указано символами зарядов у атомов (например, Н δ+ - Cl δ− , где δ - некоторая доля элементарного заряда) O − = C 2 + = O − {\displaystyle {\stackrel {-}{\mbox{O}}}={\stackrel {2+}{\mbox{C}}}={\stackrel {-}{\mbox{O}}}} (O δ− =C 2δ+ =O δ−), H δ+ -O 2δ− -H δ+ .
Практически все химические связи, за исключениям связей в двухатомных гомоядерных молекулах - в той или иной степени полярны. Ковалентные связи обычно слабо полярны. Ионные связи - сильно полярны.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Ионная, ковалентная и металлическая связи
✪ Типы химических связей. Часть 1.
✪ Химия. Химическая связь. Ковалентная связь и ее характеристики. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»
✪ ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Полярность Длина Ковалентная Водородная Ионная ОГЭ ЕГЭ ХИМИЯ 2017 Задание 3
✪ Химия. Ковалентная химическая связь в органических соединениях. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»
Субтитры
Эффективный заряд
Значения относительных эффективных зарядов, полученные различными методами (оптической спектроскопии , ЯМР, также на основе квантовохимических расчетов), могут расходиться. Однако имеющиеся значения δ свидетельствуют о том, что атомы в соединениях высоких зарядов не имеют [отвечающих абсолютному заряду электрона ] и чисто ионных соединений не существует.
Мгновенные и индуцированные диполи.
Молекула представляет собой динамическую систему, в которой происходит постоянное движение электронов и колебание ядер. Поэтому распределение зарядов в ней не может быть строго постоянным. Например, молекулу Cl 2 относят к неполярным: значение её электрического момента диполя равно нулю. Однако в каждый данный момент происходит временное смещение зарядов к одному из атомов хлора: Cl δ+ → Cl δ− или Cl δ− ← Cl δ+ с образованием мгновенных микродиполей
. Поскольку подобное смещение зарядов к любому из атомов равновероятно, среднее распределение зарядов как раз и соответствует среднему нулевому значения момента диполя.
Для полярных молекул значение момента диполя в каждый данный момент времени несколько больше или несколько меньше его среднего значения. Направление и величина мгновенного диполя подвержены непрерывным колебаниям постоянного момента диполя. Таким образом, любую неполярную и полярную молекулу (и атом в ней) можно рассматривать как совокупность периодических очень быстро меняющихся по величине и направлению мгновенных микродиполей.
Узнаем сегодня, как определить полярность связи и зачем это нужно. Раскроем физический смысл рассматриваемой величины.
Химия и физика
Когда-то все дисциплины, посвященные изучению окружающего мира, объединялись одним определением. И астрономы, и алхимики, и биологи были философами. Но сейчас существует строгое распределение по разделам науки, а большие университеты точно знают, что нужно знать математикам, а что - лингвистам. Впрочем, в случае химии и физики четкой границы нет. Часто они взаимно проникают друг в друга, а бывает, что идут параллельными курсами. В частности, спорным объектом является полярность связи. Как определить, относится эта область знания к физике или химии? По формальному признаку - ко второй науке: сейчас школьники изучают это понятие как часть химии, но без знаний по физике им не обойтись.
Строение атома
Для того чтобы понять, как определить полярность связи, сначала надо вспомнить, как устроен атом. В конце девятнадцатого века было известно, что любой атом нейтрален в целом, но содержит в разных обстоятельствах разные заряды. Резерфод установил, что в центре любого атома располагается тяжелое и положительно заряженное ядро. Заряд атомного ядра всегда целочисленный, то есть он составляет +1, +2 и так далее. Вокруг ядра располагается соответствующее количество легких отрицательно заряженных которых строго соответствует заряду ядра. То есть если заряд ядра +32, то вокруг него должны располагаться тридцать два электрона. Они занимают определенные позиции вокруг ядра. Каждый электрон как бы «размазан» вокруг ядра на своей орбитали. Ее форма, позиция и расстояние до ядра определяются четырьмя
Почему возникает полярность
В нейтральном атоме, расположенном вдалеке от других частиц (например, в глубоком космосе, вне галактики), все орбитали симметричны относительно центра. Несмотря на довольно сложную форму некоторых из них, орбитали любых двух электронов не пересекаются в одном атоме. Но если наш отдельно взятый атом в вакууме встретит на своем пути другой (например, войдет в облако газа), то он захочет взаимодействовать с ним: орбитали валентных внешних электронов вытянутся в сторону соседнего атома, сольются с ним. Возникнет общее электронное облако, новое химическое соединение и, следовательно, полярность связи. Как определить, какой атом возьмет себе большую часть общего электронного облака, расскажем далее.
Какими бывают химические связи
В зависимости от типа взаимодействующих молекул, разности в зарядах их ядер и силы возникающего притяжения, существуют следующие типы химических связей:
- одноэлектронная;
- металлическая;
- ковалентная;
- ионная;
- ван-дер-ваальсова;
- водородная;
- двухэлектронная трёхцентровая.
Для того чтобы задаваться вопросом о том, как определить полярность связи в соединении, она должна быть ковалентной или ионной (как, например, у соли NaCl). В целом эти два типа связи различаются только тем, насколько сильно смещается электронное облако в сторону одного из атомов. Если ковалентная связь не образована двумя одинаковыми атомами (например, О 2), то она всегда слегка поляризована. В ионной связи смещение сильнее. Считается, что ионная связь приводит к образованию ионов, так как один из атомов «забирает» электроны другого.
Но на самом деле полностью полярных соединений не существует: просто один ион очень сильно притягивает к себе общее электронное облако. Настолько сильно, что оставшимся кусочком равновесия можно пренебречь. Итак, надеемся, стало понятно, что определить полярность ковалентной связи можно, а полярность ионной связи не имеет смысла определять. Хотя в данном случае различие между этими двумя типами связи - это приближение, модель, а не истинное физическое явление.
Определение полярности связи
Надеемся, читатель уже понял, что полярность химической связи - это отклонение распределения в пространстве общего электронного облака от равновесного. А равновесное распределение существует в изолированном атоме.
Способы измерения полярности
Как определить полярность связи? Вопрос этот далеко не однозначный. Для начала надо сказать, что раз симметрия электронного облака поляризованного атома отличается от аналогичной нейтрального, то и рентгеновский спектр изменится. Таким образом, смещение линий в спектре даст представление о том, какова полярность связи. А если требуется понять, как определить полярность связи в молекуле более точно, то надо знать не только спектр испускания или поглощения. Требуется выяснить:
- размеры участвующих в связи атомов;
- заряды их ядер;
- какие связи были созданы у атома до возникновения этой;
- какова структура всего вещества;
- если структура кристаллическая, какие в ней существуют дефекты и как они влияют на все вещество.
Полярность связи обозначается как верхний знак следующего вида: 0,17+ или 0,3-. Стоит также помнить, что один и тот же вид атомов будет иметь непохожую полярность связи в соединении с различными веществами. Например, в оксиде BeO у кислорода полярность 0,35-, а в MgO - 0,42-.
Полярность атома
Читатель может задать и такой вопрос: "Как определить полярность химической связи, если факторов так много?" Ответ одновременно и прост, и сложен. Количественные меры полярности определяются как эффективные заряды атома. Эта величина является разностью между зарядом находящегося в определенной области электрона и соответствующей области ядра. В целом эта величина достаточно хорошо показывает некую асимметричность электронного облака, которая возникает при образовании химической связи. Сложность состоит в том, что определить, какая именно область нахождения электрона принадлежит именно этой связи (особенно в сложных молекулах) почти что невозможно. Так что, как и в случае разделения химических связей на ионные и ковалентные, ученые прибегают к упрощениям и моделям. При этом отбрасываются те факторы и значения, которые влияют на результат незначительно.
Физический смысл полярности соединения
Каков же физический смысл значения полярности связи? Рассмотрим один пример. Атом водорода H входит как во фтороводородную кислоту (HF), так и в соляную (HCl). Его полярность в HF равна 0,40+, в HCl - 0,18+. Это значит, что общее электронное облако гораздо сильнее отклоняется в сторону фтора, чем в сторону хлора. И значит, что электроотрицательность атома фтора намного сильнее электроотрицательности атома хлора.
Полярность атома в молекуле
Но вдумчивый читатель вспомнит, что, помимо простых соединений, в которых присутствуют два атома, существуют и более сложные. Например, чтобы образовать одну молекулу серной кислоты (H 2 SO 4), требуется два атома водорода, один - серы, и целых четыре кислорода. Тогда возникает другой вопрос: как определить наибольшую полярность связи в молекуле? Для начала надо помнить, что любое соединение имеет некоторую структуру. То есть серная кислота - это не нагромождение всех атомов в одну большую кучу, а некая структура. К центральному атому серы присоединяются четыре атома кислорода, образуя подобие креста. С двух противоположных сторон атомы кислорода присоединяются к сере двойными связями. С двух остальных сторон атомы кислорода присоединяются к сере одинарными связями и «держат» с другой стороны по водороду. Таким образом, в молекуле серной кислоты существуют следующие связи:
Определив по справочнику полярность каждой из этих связей, можно найти наибольшую. Однако стоит помнить, что если в конце длинной цепочки атомов стоит сильно электроотрицательный элемент, то он может «перетягивать» на себя электронные облака соседних связей, повышая их полярность. В более сложной, чем цепочка, структуре вполне возможны иные эффекты.
Чем полярность молекулы отличается от полярности связи?
Как определить полярность связи, мы рассказали. В чем состоит физический смысл понятия, мы раскрыли. Но эти слова встречаются и в других словосочетаниях, которые относятся к данному разделу химии. Наверняка читателей интересует, каким образом взаимодействуют химические связи и полярность молекул. Отвечаем: эти понятия взаимно дополняют друг друга и невозможны по отдельности. Это мы продемонстрируем на классическом примере воды.
В молекуле H 2 O две одинаковые связи H-O. Между ними угол в 104,45 градуса. Так что структура молекулы воды представляет собой нечто вроде двузубой вилки с водородами на концах. Кислород - это более электроотрицательный атом, он оттягивает на себя электронные облака двух водородов. Таким образом, при общей электронейтральности, зубчики вилки получаются немного более положительными, а основание - немного более отрицательным. Упрощение приводит к тому, что молекула воды имеет полюса. Это и называется полярностью молекулы. Поэтому вода - такой хороший растворитель, эта разница в зарядах позволяет молекулам чуть-чуть оттягивать на себя электронные облака других веществ, разъединяя кристаллы на молекулы, а молекулы - на атомы.
Чтобы понять, почему у молекул при отсутствии заряда существует полярность, надо помнить: важна не только химическая формула вещества, но и строение молекулы, виды и типы связей, которые в ней возникают, разница в электроотрицательности входящих в нее атомов.
Наведенная или вынужденная полярность
Помимо собственной полярности, существует еще и наведенная или вызванная факторами извне. Если на молекулу действует внешнее электромагнитное поле, которое значительнее существующих внутри молекулы сил, то оно способно изменить конфигурацию электронных облаков. То есть если молекула кислорода тянет на себя облака водорода в H 2 O, и внешнее поле сонаправлено с этим действием, то поляризация усиливается. Если поле как бы мешает кислороду, то полярность связи немного уменьшается. Надо отметить, что требуется приложить достаточно большое усилие, чтобы как-то повлиять на полярность молекул, и еще большее - чтобы повлиять на полярность химической связи. Достигается этот эффект только в лабораториях и космических процессах. Обычная микроволновка лишь усиливает амплитуду колебаний атомов воды и жиров. Но это никак не влияет на полярность связи.
В каком случае имеет смысл направление полярности
В связи с термином, который рассматривается нами, нельзя не упомянуть, и обратная полярность. Если речь идет о молекулах, то полярность имеет знак «плюс» или «минус». Это значит, что атом либо отдает свое электронное облако и таким образом становится чуть более положительным, либо, наоборот, тянет облако на себя и приобретает отрицательный заряд. А направление полярности имеет смысл только тогда, когда заряд движется, то есть когда по проводнику идет ток. Как известно, электроны движутся от их источника (отрицательно заряженного) к месту притяжения (положительно заряженного). Стоит напомнить, что существует теория, согласно которой электроны на самом деле движутся в обратную сторону: от положительного источника к отрицательному. Но в целом это не имеет значения, важен лишь факт их движения. Так вот, в некоторых процессах, например при сварке металлических частей, важно, куда именно присоединены какие полюса. Следовательно, важно знать, как подключена полярность: напрямую или в обратную сторону. В некоторых приборах, даже бытовых, это тоже имеет значение.
В пространстве вокруг ядер в сравнении с распределением электронной плотности в образующих данную связь нейтральных атомах .
В качестве количественной меры полярности связи используются так называемые эффективные заряды на атомах.
Эффективный заряд определяется как разность между зарядом электронов, находящимся в некоторой области пространства вблизи ядра, и зарядом ядра. Однако эта мера имеет лишь условный и приблизительный смысл, поскольку невозможно однозначно выделить в молекуле область, относящуюся исключительно к отдельному атому, а при нескольких связях - к конкретной связи.
Наличие эффективного заряда может быть указано символами зарядов у атомов (например, Н +δ - Cl −δ , где δ - некоторая доля элементарного заряда).
Практически все химические связи, за исключениям связей в двухатомных гомоядерных молекулах - в той или иной степени полярны. Ковалентные связи обычно слабо полярны. Ионные связи - сильно полярны.
См. также
Источники
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Полярная стрела
- Полярные экспедиции
Смотреть что такое "Полярность химических связей" в других словарях:
Полярность химических связей - характеристика химической связи (См. Химическая связь), показывающая перераспределение электронной плотности в пространстве вблизи ядер по сравнению с исходным распределением этой плотности в нейтральных атомах, образующих данную связь.… …
Полярность - В Викисловаре есть статья «полярность» Полярность (← лат. polaris ← … Википедия
Химическая связь - … Википедия
Молекула - Схема ковалентных связей между атомами в молекуле кислорода … Википедия
Валентность (химич.) - Валентность (от лат. valentia ≈ сила), способность атома к образованию химических связей. Количественной мерой В. обычно принято считать число других атомов в молекуле, с которыми данный атом образует связи. В. ≈ одно из фундаментальных понятий… … Большая советская энциклопедия
Валентность - I Валентность (от лат. valentia сила) способность атома к образованию химических связей. Количественной мерой В. обычно принято считать число других атомов в молекуле, с которыми данный атом образует связи. В. одно из фундаментальных… … Большая советская энциклопедия
Правило октета - Связи в диоксиде углерода (CO2) все атомы окружены 8 электронами согласно правилу октета. Следовательно, CO2 является устойчивой молекулой. Правило октета (октетная теория) предложено Г. Н. Льюисом для объяснения причин… … Википедия
Структурная химия - Структурная химия раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое… … Википедия
Электроотрицательность - (χ) фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары. Современное понятие об электроотрицательности атомов было введено американским химиком Л. Полингом.… … Википедия
Изомерия - Не следует путать с изомерией атомных ядер. Изомерия (от др. греч. ἴσος «равный», и μέρος «доля, часть») явление, заключающееся в существовании химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, но… … Википедия
