1.13. Полярность молекул

Молекула полярна, если центр отрицательного заряда не совпадает с центром положительного. Такая молекула является диполем: два равных по величине и противоположных по знаку заряда разделены в пространстве.

Диполь обычно обозначают символом где стрелка направлена от положительного конца диполя к отрицательному. Молекула обладает дипольным моментом, который равен величине заряда умноженной на расстояние между центрами зарядов:

Дипольные моменты молекул можно измерить; некоторые найденные величины приведены в табл. 1.2. Величины дипольных моментов служат мерой относительной полярности различных молекул.

Таблица 1.2 (см. скан) Дипольиые моменты

Несомненно, что молекулы полярны, если только связи в ней полярны. Мы будем рассматривать полярность связи, потому что полярность молекулы можно представить как сумму полярностей отдельных связей.

Такие молекулы, как имеют дипольный момент, равный нулю, т. е. они неполярны. Два одинаковых атома в любой из приведенных молекул имеют, конечно, одну и ту же электроотрицательность и в равной степени владеют электронами; заряд равен нулю и, следовательно, дипольный момент тоже равен нулю.

Молекула типа обладает большим дипольным моментом Хотя молекула фтористого водорода мала, электроотрицательный фтор сильно притягивает электроны; хотя расстояние мало, заряд велик, и, следовательно, дипольный момент тоже большой.

У метана и четыреххлористого углерода дипольные моменты равны нулю. Индивидуальные связи, по крайней мере в четыреххлористом углероде, полярны: однако вследствие симметричности тетраэдрического расположения они компенсируют друг друга (рис. 1.9). В хлористом метиле полярность связи углерод — хлор не компенсируется и дипольный момент хлористого метила равен Таким образом, полярность молекул зависит не только от полярности индивидуальных связей, но также и от их направления, т. е. от формы молекулы.

Дипольный момент аммиака равен Его можно рассматривать как суммарный дипольный момент (векторная сумма) трех моментов индивидуальных связей, имеющих направление, показанное на рисунке.

Рис. 1.9. Дипольные моменты некоторых молекул. Полярность связей и молекул.

Аналогично можно рассматривать дипольный момент воды, равный

Какой же дипольный момент следует ожидать для трехфтористого азота который, как и аммиак, имеет пирамидальную структуру? Фтор — наиболее электроотрицательный элемент, и он, конечно, сильно оттягивает электроны от азота; поэтому связи азот — фтор должны быть сильно полярными и их векторная сумма должна быть большой — значительно больше, чем для аммиака с его не очень полярными -связями.

Что же дает эксперимент? Дипольный момент трехфтористого азота равен только Он значительно меньше дипольного момента аммиака.

Как же объяснить этот факт? В приведенном выше рассмотрении не учитывалась неподеленная пара электронов. В (как и в эта пара занимает -орбиталь и ее вклад в дипольный момент должен иметь противоположное направление по сравнению с суммарным моментом связей азот — фтор (рис. 1.10); эти моменты противоположного знака, очевидно, имеют примерно одну и ту же величину, и в результате наблюдается небольшой дипольный момент, направление которого неизвестно. В аммиаке дипольный момент, вероятно, определяется в основном этой свободной электронной парой, причем он увеличен за счет суммы моментов связей. Аналогичным образом неподеленные пары электронов должны давать вклад в дипольные моменты воды и, конечно, любых других молекул, в которых они имеются.

На основании значений дипольных моментов можно получить ценную информацию о строении молекул. Например, можно исключить любую структуру четыреххлористого углерода, приводящую к полярной молекуле, только «а основании величины дипольного момента.

Рис. 1.10. Дипольные моменты некоторых молекул. Вклад неподеленной пары электронов. Дипольный момент обусловленный неподеленной парой электронов, имеет направление, противоположное направлению суммарного вектора моментов связей.

Таким образом, дипольный момент подтверждает тетраэдрическую структуру четыреххлористого углерода (хотя и не доказывает, поскольку возможны и другие структуры, которые также дадут неполярную молекулу).

Задача 1.4. Какие из двух указанных ниже возможных структур также должны были бы иметь дипольный момент, равный нулю? а) Углерод расположен в центре квадрата, по углам которого находятся атомы хлора, б) Углерод расположен в вершине четырехгранной пирамиды, а атомы хлора — в углах основания.

Задача 1.5. Хотя связи углерод — кислород и бор — фтор должны быть полярными, дипольный момент соединений равен нулю. Предложите расположение атомов для каждого соединения, обусловливающее нулевой дипольиый момент.

Для большинства соединений дипольный момент никогда не измерялся. Полярность этих соединений можно предсказать исходя из их строения. Полярность связей определяется по электроотрицательности атомов; если известны углы между связями, то можно определить полярность молекулы, учитывая также неспаренные пары электронов.