§ Х-25 Полярність хімічного зв’язку, електричний дипольний момент та орієнтаційна поляризація (8–10 клас · Полярність молекул)
Часткові заряди δ⁺/δ⁻, векторна сума диполів зв’язків і орієнтація молекули в полі E. «Дипольний момент молекули, це геометрія молекули, помножена на асиметрію її електронної хмари», Петер Дебай.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Електронегативність (χ за Полінгом) характеризує здатність атома в молекулі притягувати до себе спільну електронну густину ковалентного зв’язку. Якщо зв’язок утворений атомами з різною електронегативністю (Δχ = |χ_A - χ_B| > 0), спільна електронна хмара зміщується до більш електронегативного атома, створюючи часткові заряди +δ q та -δ q.
Кількісною мірою полярності зв’язку є вектор дипольного моменту μ_зв = δ q · d (у хімії напрямлений від +δ до -δ, одиниця, Дебай: 1 Д = 3.336× 10⁻³⁰ Кл·м). Проте полярність усієї багатоатомної молекули визначається векторною сумою дипольних моментів усіх її зв’язків: μ_мол = ∑ᵢ μᵢ.
Для симетричної триатомної молекули AB₂ з валентним кутом θ модуль сумарного диполя становить μ_мол = 2μ_звcos (θ/2). Тому кутова молекула води H₂O (θ = 104.5^°) є сильно полярною (μ = 1.85 Д) і орієнтується вздовж зовнішнього електричного поля E під дією моменту сил τ = μ×E, тоді як лінійна молекула CO₂ (θ = 180^°) має μ_мол = 0.
Приклад із життя
Уяви перетягування каната! У лінійній молекулі CO₂ (180^°) два атоми Оксигену тягнуть електрони з однаковою силою в протилежні боки, і нічия (μ = 0). А у зігнутій молекулі води (104.5^°) обидва канати тягнуть під кутом угору, створюючи потужний електричний диполь!
Контрольне запитання та розв’язання
У молекулі вуглекислого газу CO₂ та молекулі води H₂O кожен окремий зв’язок (C=O та O–H) є сильно полярним (Δχ > 0.9). Чому ж молекула H₂O має великий дипольний момент (μ = 1.85 Д), а молекула CO₂ є повністю неполярною (μ = 0 Д)?
- А: Молекула CO₂ має лінійну будову (θ = 180^°), тому два рівні й протилежно спрямовані вектори дипольних моментів зв’язків μ_C=O взаємно компенсуються (cos 90^° = 0), а кутова молекула H₂O (104.5^°) дає ненульову векторну суму
- Б: Атоми Карбону та Оксигену мають однакову електронегативність за Полінгом
- В: У молекулі CO₂ відсутні валентні електрони
Підказка: Дипольний момент молекули є векторною сумою μ_мол = μ₁ + μ₂, тому при θ = 180^° рівні за модулем диполі зв’язків взаємно компенсуються.
Доведення: Дипольний момент окремого полярного зв’язку μ₀ = δ e · l є векторною величиною (у хімії вектор спрямовують від δ⁺ до δ⁻; 1 Дебай (Д) = 3.336× 10⁻³⁰ Кл·м). Для триатомної молекули AB₂ результуючий дипольний момент дорівнює геометричній сумі двох векторів під валентним кутом θ: μ_сум = 2μ₀cos (θ/2). У лінійній молекулі CO₂ (sp-гібридизація, θ = 180^°) диполі μ₁ + μ₂ = 0, тому μ_сум = 0 Д. У кутовій молекулі H₂O (θ = 104.5^°) складові вздовж бісектриси додаються: μ_сум = 2 × 1.51 Д × cos (52.25^°) = 1.85 Д, і в зовнішньому полі E на молекулу діє обертальний момент M = [μ×E].
Основні формули та параметри 3D-симуляції
μ₀ = 4.803 δ l(Å) [Д], μ_сум = 2μ₀cos ≤ft((θ)/(2) ), U_ел = -μ·E
- Різниця електронегативностей зв’язку Δχ = |χ_B − χ_A|: 0 … 2.5 (стандарт: 1.24)
- Валентний кут між зв’язками θ (105° = H₂O, 180° = CO₂): 90 … 180 ° (стандарт: 105 °)
- Довжина ковалентного зв’язку l(A–B): 0.9 … 1.8 Å (стандарт: 0.96 Å)
- Напруженість зовнішнього електричного поля E: 0 … 5 кВ/см (стандарт: 2 кВ/см)