Вече знаем как
да изписваме структурни формули, също и да предвиждаме
формите на молекулите. Да използваме тези умения,
за да анализираме полярността на молекулите
чрез така наречения диполен момент. За да обясним какво е
диполен момент, да разгледаме ситуацията,
начертана отдясно. Имаме положително зареден
протон на определено разстояние от
отрицателно зареден електрон. Разстоянието между тях
е равно на d. Знаем, че протонът и електронът имат еднаква големина
на заряда: и двете имат големина на заряда
Q=1,6 по 10 на степен -19. Разбира се, зарядът на протона
е равен на +Q, отбелязвам го тук, а зарядът на електрона
е минус Q, ето така. За да изчислим диполния момент,
използваме определението: диполният момент,
който се бележи с гръцката буква мю (μ), е равен на
големината на заряда Q по разстоянието между зарядите, d. И така, имаме
μ = Q по d. В това видео няма да се занимаваме
с изчисления, но ако го пресметнеш, ще получиш резултат
в единици дебай. Получава се число,
изразено в мерната единица
дебай. Тук повече ни интересува
анализа на диполния момент по отношение на
молекулярната структура, затова да разгледаме
структурната формула на HCl. Ако погледнем
ковалентната връзка между водородния
и хлорния атом, виждаме, че тя е съставена
от два електрона. Тъй като хлорният атом е повече
електроотрицателен от водородния, тези два електрона
ще се привлекат по-близо до хлорния атом. Обозначавам това
чрез тази стрелка. Тя сочи в посоката на движението на електроните в жълто: те се преместват
по-близо до хлора. Хлорът ще получи
малко повече електронна плътност
около себе си, обозначаваме това
с частично отрицателен заряд. Тук записваме
малката гръцка буква делта, показваща
частично отрицателен заряд поради увеличението
на електронната плътност. Това е един подход. И тъй като водородът губи
малко от електронната си плътност, той губи и малко
отрицателен заряд, тоест става частично
положително зареден. Така обозначаваме
частично положителния заряд. Имаме ситуация, в която молекулата е
поляризирана. Тази част от молекулата,
тук отдясно, е с увеличена
електронна плътност, тя е с частично
отрицателен заряд. Това е единият полюс. А другата страна е загубила
от електронната си плътност и е частично положително
заредена. Тук е положителният полюс. Можеш да си представиш
при началото на стрелката този знак плюс,
който показва как е разпределен зарядът в молекулата. И така, имаме тези два полюса:
положителен и отрицателен. Ако си представиш
за всеки от тези два полюса съответния му център
на тежестта, тогава можеш да измериш
разстоянието между тях и да изчислиш диполния
момент на молекулата. Когато изчислиш
диполния момент на HCl, μ става равно на
приблизително 1,11 дебая. И така, имаме
полярна връзка и поляризирана молекула. Можем да кажем, че HCl
е сравнително полярна. Има диполен момент. Това е примерен подход
при анализа на тези молекули. Да опитаме
с още една. Например
въглероден диоксид. Знам, че молекулата на CO₂
е линейна, нейната структурна формула образува права линия,
което е от значение за намирането
на диполния момент. Да анализираме електроните
на тази връзка въглерод с кислород, имаме двойна връзка между тях, кислородът е повече
електроотрицателен от въглерода. Затова кислородът ще привлече
общите електрони по-близо до себе си. Отбелязваме това
със стрелка или вектор, насочен надясно. Тук връзката
представлява дипол. Същата ситуация
имаме и отляво. Кислородът е по-електроотрицателен
от въглерода, затова тези електрони
ще се доближат повече до кислорода. Тук отбелязваме със стрелка,
сочеща наляво. И макар, че имаме тези
отделни диполни връзки, тъй като молекулата е линейна, виждаме, че двата им вектора са равни по големина,
но противоположни по посока и се неутрализират. Това е причината
за тази молекула да не очакваме
диполен момент. Тя няма молекулен дипол. Тук μ е равно на 0. По-прост начин
да си представим това е като дърпане на въже: имаме тези два кислородни атома,
те са много силни, но са с еднакви сили. Те дърпат с равна сила в различни посоки,
затова въжето не помръдва. Така отделните
диполни връзки се неутрализират и общият диполен момент
на молекулата става нула. Въглеродният диоксид
се приема за неполярен. Сега да анализираме
молекулата на водата. Виж електроните на тази
ковалентна връзка между водорода и кислорода. Кислородът е повече
електроотрицателен от водорода, затова тези електрони
се доближават до кислорода. Същото се случва
и с другата връзка. Остават ни и двойките електрони
при централния атом за анализ. Това ще увеличи, естествено,
електронната плътност в такава посока за тази
свободна двойка и също в такава посока за тази. Макар да знаем, че геометрията
на водната молекула е под ъгъл, това е трудно да се представи на тази двумерна плоскост. С тримерен молекулен модел може да се види, че общият
диполен момент сочи нагоре в този случай. Диполите на отделните връзки се събират, за да се получи
молекулният дипол, който тук сочи
нагоре. Водната молекула
има диполен момент. μ е приблизително
1,85 и считаме водата
за полярна молекула. Да направим
още два примера. Отляво имаме CCl₄:
въглероден тетрахлорид. Тук въглеродът
е свързан с хлорен атом, а правата линия
означава, че връзката е в равнината на екрана. Знаем, че тази молекула
е с геометрия на тетраедър около централния въглероден атом. Ще анализираме и това. Тук с триъгълниче е обозначено, че този хлорен атом се намира
по-напред в пространството. А прекъснатата линия тук
означава, че хлорният атом е по-назад в пространството. Опитай да си го представиш или да използваш
тримерен модел. Както и да завъртиш тази молекула, тя ще изглежда еднакво
във всички посоки. Така е заради подредбата
около един централен атом на четири еднакви атома
по върховете на тетраедър. В тримерното пространство
винаги ще изглежда еднакво. Това е важно при анализа на диполния момент
на тази молекула. Нека пристъпим към него. Започваме с разликите
в електроотрицателността. Разглеждам горната връзка
на въглерод с хлор: нейните два електрона.
Хлорният атом е повече електроотрицателен от въглеродния. Можем да си представим,
че тези електрони се доближават до хлора. Ще използвам зелено. И така, тези два електрона
отиват в такава посока. Същото се случва
и за останалите хлорни атоми. Поради по-голямата
електроотрицателност на хлора можем да обозначим тези
отделни диполни връзки. Те са общо четири. В този случай отделните диполи
са четири, но в тримерното пространство
се неутрализират. Това също не е лесно
за представяне на двумерния чертеж. Но ако имаш тримерен модел
на молекулата, можеш по-лесно да видиш
как тя остава непроменена при завъртане. И така, отделните диполни връзки
се неутрализират, тази молекула няма диполен момент и μ е равно на 0. От това заключаваме, че молекулата
на въглеродния тетрахлорид е неполярна. Сега да разгледаме
примера отдясно. Тук на мястото на единия
хлорен атом има водороден. Това е CHCl₃, или хлороформ. Сега да анализираме молекулата. Да помислим за тази връзка
в червено: въглеродът е мъничко повече
електроотрицателен от водорода, затова електроните от тази връзка ще се придърпат
този път към въглеродния атом. Отново при връзките
между въглерод и хлор хлорът е по-силно
електроотрицателен и диполът на връзките
ще е по посока на хлора. Това се отнася
и за трите хлорни атома. Надявам се тук да се вижда
малко по-ясно: диполите на отделните връзки се комбинират в общ дипол, сочещ надолу
за тази молекула. С розово начертавам
молекулния дипол, това е общият дипол
за цялата молекула, който на този чертеж
сочи надолу. Поради водородния атом отгоре нямаме вектор, който
да сочи нагоре и да балансира
сочещите надолу. Очакваме тази молекула да има свой диполен момент. Тук той е приблизително
μ = 1,01 Определено хлороформът е по-полярен
от въглеродния тетрахлорид.