Полярність молекул та геометрія молекул.

Полярність зв'язку зумовлена зміщенням електронної густини до атома з більшою електронегативністю, що спричинює поділ центрів тяжіння негативного заряду електронів і позитивного заряду ядра. В результаті цього виникає електричний диполь — сукупність двох рівних за абсолютним значенням різнойменних електричних зарядів δ+ і δ-, розміщених на деякій відстані l (довжина диполя) один від одного. Довжину диполя не слід ототожнювати з довжиною зв'язку, оскільки центри тяжіння зарядів не збігаються з центрами ядер атомів (рис.).

Знаючи довжину диполя l двохатомної молекули та довжину зв'язку d, можна шляхом ділення першої величини на другу оцінити полярність зв'язку.

Приклад. Обчислити полярність зв'язку в молекулі НІ, довжина зв'язку якої 0,16 нм, а довжина диполя 0,008 нм.

Полярність зв'язку визначають за формулою

π = l/d = 0,008 : 0,16 = 0,05 або 5 %.

Основною характеристикою диполя є дипольний момент вектор, напрямлений від негативного заряду до позитивного і чисельно рівний добуткові заряду полюса на довжину диполя (Дебай, 1912) . Дипольний момент вимірюють у кулон-метрах, хоч у довідковій літературі його часто наводять у дебаях (1Д = 3,33∙10^-30Кл∙м).

Хімічний зв'язок, що характеризується наявністю сталого дипольного моменту, називають полярним зв'язком, а відповідні молекули — полярними. Чим більший дипольний момент, тим полярніший зв'язок (інтервал значень р для різних зв'язків від 0,3∙10^-30 до 30∙10^-30 Кл∙м). Наприклад, у ряді НС1—НВr—НІ дипольні моменти молекул відповідно дорівнюють

3,44∙10^-30; 2,64∙10^-30 і 1,26 ∙10^-30 Кл∙м, що вказує на зменшення полярності молекул галогеноводнів зі збільшенням протонного числа галогена.

У випадку зв'язування двох атомів з однаковими значеннями електронегативності електронна густина симетрична відносно ядер і дипольний момент дорівнює нулю. Такий зв'язок називають неполярним, а молекули з таким зв'язком — неполярними.

При взаємодії двох атомів зі значною різницею електронегативностей електронна густина може майже цілком зміститися до електронегативнішого атома. Такий зв'язок наближається до іонного. Іонний характер зв'язку атомів А і В, що утворюють молекулу, виражений через ступінь іонності п у відсотках, залежить від відносних електронегативностей χ_А і χ_В і визначається за формулою

Наприклад, ступінь йонності зв'язку в молекулі НС1 (χ _С1 ⁼ 3,0; χ_Н⁼ 2,1) становить 17 %.

Отже, за ступенем зміщення електронної густини зв'язок у молекулі може бути неполярним (∆χ<0,4), полярним ∆χ = 0,4 — 2,0) та іонним (∆χ >2,0).

За експериментальними значеннями дипольних моментів можна обчислити ефективні заряди, або ступені йонності, атомів у сполуках. Зокрема, дипольний момент хлороводню дорівнює 3,44∙10^-30 Кл-м, а між'ядерна відстань Н—Сl становить 0,127 нм. Якщо допустити повне перенесення заряду від Гідрогену до Хлору, то дипольний момент становив би р = δ∙l = 1,60∙10∙1,27∙10^-10 = 2,03∙10^-29 Кл∙м. Ступінь іонності буде відношенням експериментального дипольного моменту до обчисленого для ідеального іонного зв'язку: 3,44∙10^-30: 2,03∙10^-29 = 0,17, або 17 % від заряду електрона.

Можна також визначити довжину диполя.

Приклад. Обчислити довжину диполя молекули НІ, якщо її дипольний момент р = 1,26∙10^-30 Кл∙м.

Довжину диполя знаходимо за формулою

l= р/δ = 1,26∙10^-30/ 1,6∙10^-19 = 8∙10^-12 м = 0,008 нм.

Для двохатомних молекул поняття полярності зв'язку та полярності молекули збігаються. Полярність багатоатомних молекул залежить не лише від полярності окремих зв'язків, але й від їх напрямленості. Загальний дипольний момент молекули обчислюють за правилом паралелограма як векторну суму дипольних моментів окремих зв'язків.

Розглянемо для прикладу молекулу типу АХ₂, яка може мати як лінійну, так і кутову будову (рис. Можливі структури молекули АХ₂).

При лінійній будові молекули вектори дипольних моментів А — X однакові за розміром і протилежні за напрямком. У цьому випадку сума моментів зв'язків дорівнюватиме нулю, тобто молекула буде неполярною. При кутовій будові дипольні моменти окремих зв'язків не компенсують один одного і сумарний дипольний момент не дорівнюватиме нулю. Тому така молекула буде полярною. Дійсно, дипольний момент лінійної молекули Карбон діоксиду СО₂ дорівнює нулю, а у молекулі Сульфур діоксиду SO₂ дипольний момент становить 5,3∙10^-30 Кл∙м, що свідчить про її кутову будову. Полярність зв'язку в молекулі може змінюватися під впливом зовнішнього електричного поля та молекул, які її оточують.