Молекулна полярност

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.