5.2.7. Неполярные и полярные связи. Типы ковалентных молекул.

Пусть между атомами А и В, электроотрицательности которых равны _А и _В, возникает локализованная ковалентная связь. При этом в зависимости от значений _А и _В возможны три случая:

1. _А и _В равны или очень близки по значениям. Образующаяся при этом общая электронная пара в равной мере принадлежит обоим взаимодействующим атомам, а возникающее электронное облако симметрично относительно ядер атомов А и В. Подобная связь называется неполярной. Чистая неполярная связь реализуется в гомоядерных молекулах, образованных атомами одного элемента в одной и той же степени окисления (например, в молекулах Cl₂, P₄, S₈). Примером гетероядерной связи, очень близкой к неполярной, может служить связь Р-Н в молекуле фосфина РН₃ (электроотрицательности водорода и фосфора по Полингу равны соответственно 2,20 и 2,19).

2. _А и _В умеренно отличаются друг от друга. В этом случае общая электронная пара смещается в сторону атома с большей электроотрицательностью, в результате чего связь становится асимметричной. Такая связь называется полярной. Вследствие несимметричного распределения электронной плотности относительно ядер А и В полярная связь представляет собой диполь - электронейтральную систему, в которой центры тяжести положительного и отрицательного заряда не совпадают. Как и любому диполю, полярной связи присущи три количественные характеристики:

1) заряд, возникающий на полюсе диполя (q); эта величина может быть как положительной, так и отрицательной и соизмерима с зарядом электрона (1,6010^-19 Кл),

2) длина диполя (), равная расстоянию между полюсами диполя; эта величина принимает значения в пределах от нуля до 10^-10 м;

3) дипольный момент, представляющий собой произведение абсолютного значения заряда полюса на длину диполя

• = q

Единица дипольного момента имеет размерность Клм; обычно дипольные моменты представляют собой величину порядка 10^-30 Клм. На практике часто используется внесистемная единица дипольных моментов - Дебай (D): 1D = 3,3310^-30 Клм. Дипольный момент является вектором, направленным от положительного полюса к отрицательному.

В отличие от заряда полюса и длины диполя, измерить которые порознь довольно сложно, значение дипольного момента относительно легко определяют экспериментально, измеряя диэлектрическую проницаемость вещества при разных температурах.

Заметим, что неподеленные электронные пары тоже характеризуются определенными дипольными моментами, направленными от ядра атома, которому принадлежит неподеленная пара.

3. _А и _В очень сильно отличаются друг от друга. В этом случае связывающая электронная пара переходит к атому с большей электроотрицательностью, в результате чего этот атом превращается в отрицательный ион, а его партнер - в положительный. Между образовавшимися ионами действуют электростатические силы, не связанные с перекрыванием электронных орбиталей. Возникающая при этом связь называется ионной связью; особенности этого вида взаимодействия будут рассмотрены в разделе 5.4.

Ковалентные молекулы могут содержать одну или несколько связей одинаковой или различной полярности. Векторная сумма дипольных моментов всех связей и неподеленных пар молекулы называется дипольным моментом молекулы. По значениям дипольных моментов молекулы могут быть подразделены на два типа:

1) неполярные молекулы - молекулы, для которых дипольный момент равен нулю;

2) полярные молекулы - молекулы, для которых дипольный момент принимает отличные от нуля значения.

Дипольные моменты некоторых молекул приведены в табл. 13.

Таблица 13.

Дипольные моменты некоторых молекул

Молекула	1030 Клм	Молекула	1030 Клм
H2	0	CO2	0
N2	0	H2O	6,10
O2	0	H2S	3,40
HF	6,36	NO2	0,97
HCl	3,42	NH3	4,94
HBr	2,63	PH3	1,83
HI	1,40	NF3	0,70
CO	0,33	CCl4	0
NO	0,53	CHCl3	3,17
O3	1,73

Асимметричное распределение электронной плотности в молекуле по направлению полярных связей можно учесть, приписав атомам в молекуле некоторый эффективный заряд  (не путать с эффективным зарядом ядра, раздел 2.4). Эффективный заряд атома в молекуле можно рассматривать как меру полярности ковалентной связи. Так, например, для молекулы хлороводорода эффективный заряд на атоме хлора составляет -0,18 эл.ед., а на атоме водорода +0,18 эл.ед., откуда можно заключить, что связь в молекуле HCl на 18% ионная, а на 82% ковалентная.

Полярность молекул определяется не только полярностью связей в ней, но и геометрической формой частицы. Так, например, в молекулах BeF₂ и H₂O связи Be-F и Н-О полярны, однако дипольный момент молекулы фторида бериллия равен нулю, а для воды составляет 6,110^-30 Клм. Это явление объясняется тем, что для линейной молекулы BeF₂

векторная сумма двух противоположно направленных дипольных моментов _BeF равна нулю. Молекула воды - угловая молекула

в результате чего сумма дипольных моментов связей Н-О нулю не равняется.

На полярность молекул оказывает также влияние ориентация дипольных моментов неподеленных электронных пар молекулы. Так, молекулы NH₃ и NF₃, имеющие одинаковую тригонально-пирамидальную форму, существенно отличаются по полярности ( = 4,910^-30 Клм, = 0,710^-30 Клм). Это объясняется тем, что электроотрицательность азота выше электроотрицательности водорода, но ниже электроотрицательности фтора. В результате в молекуле аммиака дипольные моменты связей N-H направлены от водорода к азоту; суммирование их с дипольным моментом неподеленной пары приводит к увеличению дипольного момента молекулы NH₃ (рис. 16,а). В случае молекулы трифторида азота дипольные моменты связей N-F и неподеленной пары направлены в противоположные стороны и при сложении частично компенсируют друг друга (рис. 16,б).

Рис. 16 Дипольные моменты связей и неподеленной электронной пары в молекулах NH₃(а) и NF₃(б)

Если та или иная молекула испытывает действие внешнего электростатического поля, в ней происходит перераспределение электронной плотности, центры тяжести положительного и отрицательного заряда смещаются, в результате чего неполярная молекула может стать полярной, а дипольный момент полярной молекулы возрастает. Этот процесс называется поляризацией молекулы, а возникающий при этом диполь - наведенным или индуцированным диполем. Значение индуцированного диполя зависит от природы молекулы и напряженности поля (Е):

_Е = Е (5-11)

Величина  в уравнении (5-11) называется поляризуемостью молекулы. Чем больше поляризуемость, тем легче деформируется молекула под воздействием внешнего поля. Источником внешнего электрического поля могут являться ионы или полярные молекулы, окружающие деформируемую частицу.