Dlaczego woda jest cząsteczką polarną?

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Woda jest cząsteczką polarną, ponieważ ma dwa polarne wiązania OH, których momenty dipolowe się nie znoszą. Te momenty dipolowe wskazują na tlen i sumują się, dając cząsteczce moment dipolowy netto.

Ta polaryzacja jest odpowiedzialna za wiele charakterystycznych właściwości wody, w tym niektóre z jej reaktywności chemicznej, temperatury topnienia i wrzenia oraz zdolność do działania jako uniwersalny rozpuszczalnik między innymi jonowych i polarnych substancji rozpuszczonych.

Innymi słowy, polarność wody, podobnie jak każdej innej cząsteczki, jest bezpośrednią konsekwencją polarności jej wiązań, jak również geometrii molekularnej. Zrozumienie tych dwóch pojęć i ich zastosowania do cząsteczki wody da pełniejszy obraz polarności cząsteczek.

Co to jest wiązanie polarne?

Wiązanie polarne to rodzaj wiązania kowalencyjnego, w którym jeden z dwóch atomów jest bardziej elektroujemny niż drugi, więc gęstość elektronowa wiązania przyciąga silniej. Konsekwencją tego jest to, że elektrony nie są równo dzielone. Bardziej elektroujemny atom uzyskuje częściowy ładunek ujemny (oznaczony przez δ-), podczas gdy drugi uzyskuje częściowy ładunek dodatni (oznaczony przez δ+).

Oba ładunki cząstkowe mają jednakową wartość i przeciwny znak, co powoduje, że wiązania biegunowe stają się dipolami elektrycznymi .

To, czy dwa atomy tworzą spolaryzowane wiązanie kowalencyjne, zależy od różnicy między ich elektroujemnościami. Jeśli różnica jest zbyt duża, wiązanie będzie jonowe, ale jeśli będzie bardzo małe lub zerowe, będzie to czyste wiązanie kowalencyjne. Wreszcie wiązanie będzie kowalencyjne polarnie, jeśli różnica jest pośrednia. Limity dla każdego przypadku przedstawiono w poniższej tabeli:

rodzaj łącza różnica elektroujemności Przykład
wiązanie jonowe >1,7 NaCl; LiF
wiązanie polarne Między 0,4 a 1,7 OH; HF; NH
niespolaryzowane wiązanie kowalencyjne <0,4 CH; IC
czyste wiązanie kowalencyjne 0 H H; ooh; FF

moment dipolowy

Wiązania biegunowe charakteryzują się momentem dipolowym. Jest to wektor oznaczony grecką literą μ (mu) skierowaną wzdłuż wiązania w kierunku bardziej elektroujemnego atomu. Wielkość tego wektora jest iloczynem wielkości oddzielonego ładunku, która jest proporcjonalna do różnicy elektroujemności, i odległości między dwoma ładunkami, czyli długości wiązania.

Moment dipolowy jest niezbędny do zrozumienia, dlaczego woda jest polarna, ponieważ całkowita polarność cząsteczki pochodzi z sumy wektorowej wszystkich jej momentów dipolowych.

geometria molekularna

Geometria cząsteczki wskazuje sposób, w jaki jej atomy są rozmieszczone wokół centralnego atomu. Na przykład w wodzie atomem centralnym jest tlen, więc geometria molekularna wskazuje, w jaki sposób dwa atomy wodoru są zorientowane wokół tlenu.

Istnieją różne sposoby określania geometrii molekularnej. Najprostszym jest teoria odpychania par elektronów walencyjnych, która mówi, że pary elektronów otaczające atom centralny (niezależnie od tego, czy są to wiązania, czy pojedyncze pary elektronów) będą zorientowane tak, aby znajdowały się jak najdalej od siebie.

Po ustaleniu, w jaki sposób elektrony są rozmieszczone wokół centralnego atomu, określa się geometrię, patrząc na miejsce, w którym wskazują wiązania (nie biorąc pod uwagę samotnych par elektronów).

Po zrozumieniu tych dwóch pojęć przeanalizujmy teraz cząsteczkę wody, jej wiązania i geometrię:

Wiązania OH w wodzie są wiązaniami polarnymi.

Polaryzacja wiązania OH

Woda ma dwa atomy wodoru związane z jednym atomem tlenu. Różnica elektroujemności między tlenem a wodorem wynosi 1,24, co czyni go dość polarnym wiązaniem (patrz tabela powyżej). Powyższy rysunek ilustruje moment dipolowy tego wiązania. Należy zwrócić uwagę na fakt, że wektor jest często rysowany z boku łącza, aby ułatwić przeglądanie; jednak w rzeczywistości pokrywa się z wiązaniem OH, skierowanym od jądra wodoru w kierunku jądra tlenu.

Cząsteczka wody ma geometrię kątową

W cząsteczce wody atom tlenu jest zhybrydyzowany sp 3 i otoczony czterema parami elektronów (dwie pary z wiązaniami wodorowymi i dwie pary niewspólne). Teoria odpychania par elektronów walencyjnych mówi, że cztery pary elektronów będą skierowane w stronę końców czworościanu foremnego. Innymi słowy, dwa atomy wodoru będą skierowane w stronę dwóch z czterech rogów czworościanu, czyniąc cząsteczkę wody cząsteczką kątową.

Geometria cząsteczki wody i dlaczego jest polarna

Kąt między dwoma wiązaniami powinien być kątem czworościennym równym 109,5º, ale dwie samotne pary elektronów silniej odpychają wiążące elektrony, nieco zawężając kąt. W rezultacie dwa wiązania OH w wodzie tworzą kąt 104,45º, jak pokazano na powyższym rysunku.

Wiązania polarne + geometria kątowa = cząsteczka polarna

Ważne jest, aby uznać fakt, że posiadanie wiązań polarnych nie gwarantuje, że cząsteczka jest polarna. W rzeczywistości dwutlenek węgla ma dwa wiązania polarne, ale ich momenty dipolowe wzajemnie się znoszą. Z tego powodu cząsteczka jest niepolarna.

Nie dzieje się tak z cząsteczką wody, ponieważ nie jest liniowa, ale kątowa. Teraz, gdy mamy jasny obraz charakterystyki cząsteczki wody, możemy przejść do określenia wypadkowego momentu dipolowego cząsteczki. Odbywa się to poprzez narysowanie obu momentów dipolowych na górze cząsteczki, a następnie dodanie wektora:

Dlaczego woda jest cząsteczką polarną?

Dodawanie można przeprowadzić graficznie, stosując metodę równoległoboku, jak pokazano po prawej stronie poprzedniego rysunku. Jak widać, oba momenty dipolowe wytwarzają wypadkowy moment dipolowy skierowany w stronę tlenu przechodzącego przez środek cząsteczki.

wypadkowy moment biegunowy wody

Ostatecznie ten moment dipolowy netto jest powodem, dla którego woda jest cząsteczką polarną.

-Reklama-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados