Back to chapter

10.4:

צורה מולקולרית וקוטביות

JoVE Core
Chimie
Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu.  Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
JoVE Core Chimie
Molecular Shape and Polarity

Langues

Diviser

בקשר קוולנטי כמו בחומצה הידרופלואורית, האלקטרונים נמשכים לעבר האטום האלקטרושלילי יותר, המזוהה במטען חלקי. קשרים כאלה נקראים קשרים קוטביים”הפרדת המטען יוצרת וקטור הנקרא מומנט דיפול”המסומן באות היוונית mu. ערכו הוא המכפלה של הערכים המוחלטיים של המטענים החלקיים והמרחק ביניהם.הווקטור מצביע מהאטום הפחות האלטקרושלילי לגבוה ביותר ומעיד על המומנט דיפול. אורכו נמצא ביחס ישר לגודל ההבדל באלקטרושליליות בין שני האטומים. לרוב המולקולות הדיאטומיות המכילות אטומים של יסודות שונים יש מומנט דיפול ולכן הן מולקולות קוטביות.מפות פוטנציאל אלקטרוסטטי מציינות את אזורי צפיפות האלקטרונים הגבוהה והנמוכה בתרכובת בצבעי אדום וכחול בהתאמה. הצבעים שבתווך מתארים צפיפות אלקטרונים מתונה. בתרכובות רב אטומיות, מומנט הדיפול נקבע על ידי מומנטי הדיפול של כל אחד מהקשרים והמבנה המרחבי של התרכובת.לדוגמה, מולקולת מים עם שני קשרים קוטביים. צורתה מכופפת והיא מולקולה קוטבית. בניגוד לכך, מולקולת פחמן דו חמצני היא לינארית.שני קשרי הפחמן-חמצן הם קוטביים אבל מכוונים בכיוונים מנוגדים, מבטלים את מומנט הדיפול זה של זה והופכים את המולקולה כולה לבלתי קוטבית. גם מולקולות קרבוניל סולפיד הן לינארית. אך מומנט הדיפול של קשרי חמצן-פחמן ופחמן-גופרית אינם מבטלים זה את זה ולמולקולה יש מומנט דיפול כולל.בורון טריפלואוריד הוא תרכובת מישורית משולשת. מומנטי הדיפול של קשרי בורון-פלואור מבטלים זה את זה בשל הסימטריה של המולקולה והתרכובת אינה קוטבית. אך מומנטי הדיפול של שלושת הקשרים הקוטביים במולקולות פירמידה משולשת של זרחן טריכלוריד אינם מבטלים זה את זה, והופכים אותה לתרכובת קוטבית.טטרפלואורמתאן הוא מולקולה טטרהדרלית שאינה קוטבית משום שמומנטי הדיפול של ארבעת הקשרים הקוטביים הזהים מבטלים זה את זה. גם פלואורמתאן הוא מולקולה טטרהדרלית. אך יש לה מומנט דיפול כולל מפני שלקשר CF יש מומנט דיפול גדול יותר בהשוואה לקשרי CH, ומומנט הדיפול של הקשר אינם מבטלים זה את זה.בשדה חשמלי, מולקולות קוטביות מקרבות את הקצה החיובי ללוח השלילי ואת הקצה השלילי ללוח החיובי. בניגוד לכך, מולקולות לא קוטביות אינן מושפעות משדה חשמלי. באופן כללי, ממסים קוטביים ממסים מומסים קוטביים ומומסים לא קוטביים ממסים מומסים לא קוטביים מפני שסוגים דומים של מולקולות נוטים להעדיף אינטראקציות ביניהם.מים הם קוטביים וממסים בקלות תרכובות קוטביות כגון סוכרוז, או בשמו הנפוץ סוכר שולחני. שמן הוא לא קוטבי ואינו מתערבב עם מים.

10.4:

צורה מולקולרית וקוטביות

Dipole Moment of a Molecule

Polar covalent bonds connect two atoms with differing electronegativities, leaving one atom with a partial positive charge (δ+) and the other atom with a partial negative charge (δ), as the electrons are pulled toward the more electronegative atom. This separation of charge gives rise to a bond dipole moment. The magnitude of a bond dipole moment is represented by the Greek letter mu (µ) and is given by the formula shown here, where Q is the magnitude of the partial charges (determined by the electronegativity difference) and r is the distance between the charges: μ = Qr.

This bond moment can be represented as a vector, a quantity having both direction and magnitude. Dipole vectors are shown as arrows pointing along the bond from the less electronegative atom toward the more electronegative atom. A small plus sign is drawn on the less electronegative end to indicate the partially positive end of the bond. The length of the arrow is proportional to the magnitude of the electronegativity difference between the two atoms.

Factors Determining Polarity of a Molecule

A whole molecule may also have a separation of charge, depending on its molecular structure and the polarity of each of its bonds. If such a charge separation exists, the molecule is said to be a polar molecule; otherwise, the molecule is said to be nonpolar. The dipole moment measures the extent of net charge separation in the molecule as a whole. We determine the dipole moment by adding the bond moments in three-dimensional space, taking into account the molecular structure.

For diatomic molecules, there is only one bond, so its bond dipole moment determines the molecular polarity. Homonuclear diatomic molecules such as Br2 and N2 have no difference in electronegativity, so their dipole moment is zero. For heteronuclear molecules such as CO, there is a small dipole moment. For HF, there is a larger dipole moment because there is a larger difference in electronegativity.

When a molecule contains more than one bond, the geometry must be taken into account. If the bonds in a molecule are arranged such that their bond moments cancel (vector sum equals zero), then the molecule is nonpolar. This is the situation in CO2. Each of the bonds is polar, but the molecule as a whole is nonpolar. From the Lewis structure, and using VSEPR theory, we determine that the CO2 molecule is linear with polar C=O bonds on opposite sides of the carbon atom. The bond moments cancel because they are pointed in opposite directions. In the case of the water molecule, the Lewis structure again shows that there are two bonds to a central atom, and the electronegativity difference again shows that each of these bonds has a nonzero bond moment. In this case, however, the molecular structure is bent because of the lone pairs on O, and the two bond moments do not cancel. Therefore, water does have a net dipole moment and is a polar molecule (dipole).

In an OCS molecule, the structure is similar to CO2, but a sulfur atom  replaces one of the oxygen atoms. 

The C-O bond is considerably polar. Although C and S have very similar electronegativity values, S is slightly more electronegative than C, and so the C-S bond is just slightly polar. Because oxygen is more electronegative than sulfur, the oxygen end of the molecule is the negative end.

Chloromethane, CH3Cl, is a tetrahedral molecule with three slightly polar C-H bonds and a more polar C-Cl bond. The relative electronegativities of the bonded atoms are H < C < Cl, and so the bond moments all point toward the Cl end of the molecule and sum to yield a considerable dipole moment (the molecules are relatively polar).

For molecules of high symmetry such as BF3 (trigonal planar), CH4 (tetrahedral), PF5 (trigonal bipyramidal), and SF6 (octahedral), all the bonds are of identical polarity (same bond moment) .and they are oriented in geometries that yield nonpolar molecules (dipole moment is zero). Molecules of less geometric symmetry, however, may be polar even when all bond moments are identical. For these molecules, the directions of the equal bond moments are such that they sum to give a nonzero dipole moment and a polar molecule. Examples of such molecules include hydrogen sulfide, H2S (nonlinear), and ammonia, NH3 (trigonal pyramidal)

To summarize, to be polar, a molecule must:

  1. Contain at least one polar covalent bond.
  2. Have a molecular structure such that the sum of the vectors of each bond dipole moment does not cancel.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 7.6 Molecular Structure and Polarity.