Полярные и неполярные молекулы: в чем разница и почему это важно?

Молекулы - это кирпичики, из которых состоят вещества вокруг нас. Без понимания их строения и свойств невозможно разобраться в удивительном мире химии. В зависимости от распределения электрических зарядов молекулы делятся на полярные и неполярные. Давайте разберемся, в чем между ними разница и почему это важно.

Определение полярных и неполярных молекул

Чтобы определить, является ли молекула полярной или неполярной, нужно рассмотреть ее строение. В образовании молекул участвуют атомы, связанные между собой ковалентными связями. Это означает, что атомы делятся электронами друг с другом.

Из-за разницы в электроотрицательности атомов электронная плотность в молекуле распределяется неравномерно. Атом, притягивающий к себе больше электронов, приобретает частичный отрицательный заряд, а второй атом — частичный положительный. Так в молекуле возникает электрический диполь, и она становится полярной. Пример — молекула воды H₂O:

δ− — O — δ+

Если же электронная плотность распределена симметрично и значительных зарядов на атомах нет, молекула является неполярной. Например, O₂, N₂.

полярные и неполярные молекулы тесно связаны с геометрией молекул — именно форма и взаимное расположение атомов определяют характер деления электронов. Давайте подробнее разберем, от чего зависит полярность.

Причины возникновения полярности молекул

Как уже было сказано, на возникновение полярности влияют три основных фактора:

1. Электроотрицательность атомов
2. Геометрия молекулы
3. Распределение электронной плотности

Рассмотрим их подробнее.

Электроотрицательность атомов

Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает к себе электроны при образовании химической связи. Чем выше этот показатель, тем больше электронная плотность смещается к данному атому в молекуле.

Например, в молекуле хлороводорода HCl атом хлора значительно электроотрицательнее водорода. Поэтому общая электронная пара сильно смещается к хлору, и молекула становится полярной:

δ− — Cl δ+ — H

А в молекуле Cl₂ оба атома одинаковые, электронная плотность распределяется симметрично и молекула неполярна.

Геометрия молекулы

Даже если в молекуле есть атомы с разной электроотрицательностью, полярность может не возникнуть из-за особенностей геометрии. Рассмотрим диоксид углерода CO₂:

O = C = O

Хотя кислород электроотрицательнее углерода, из-за линейной структуры молекулы полярности нет — два одинаковых атома кислорода «уравновешивают» друг друга.

В молекуле воды H₂O асимметричное расположение атомов приводит к появлению полярности, несмотря на то что атомы водорода идентичны.

Неполярная молекула с полярной связью

Бывают случаи, когда в молекуле присутствуют полярные связи, но сама молекула остается неполярной. Это происходит, если полярности отдельных связей взаимно компенсируют друг друга.

Например, в борфториде BF3 центральный атом бора образует три полярные связи с фтором, более электроотрицательным элементом. Но геометрия молекулы треугольная, поэтому суммарный дипольный момент равен нулю.

Распределение электронной плотности

Неравномерность распределения электронов может быть вызвана не только разницей электроотрицательностей, но и другими факторами.

Например, неподеленные электронные пары, локализованные на атоме, тоже вносят асимметрию и делают молекулу полярной. Этим объясняется полярность аммиака NH₃ и воды H₂O, в молекуле которых присутствуют неподеленные пары у азота и кислорода.

Подытожим основные факторы возникновения полярности:

• Разница в электроотрицательности
• Асимметричная геометрия
• Наличие неподеленных электронных пар

Эти причины приводят к неравномерному распределению электронной плотности в молекуле и образованию электрического диполя.

А теперь давайте посмотрим, чем конкретно отличаются свойства полярных и неполярных молекул.

Различия между полярными и неполярными молекулами

Полярные и неполярные молекулы существенно отличаются по многим свойствам.

Наличие дипольного момента

Ключевое различие заключается в наличии дипольного момента. Дипольный момент характеризует величину разделения зарядов в молекуле. У неполярных молекул он равен нулю, а у полярных - имеет конкретное значение в дебаях.

Например, дипольный момент воды равен 1,85 D, аммиака - 1,47 D. А для неполярных молекул, таких как бензол или метан, этот показатель не определен.

Растворимость

Полярные и неполярные вещества по-разному растворяются в полярных и неполярных растворителях. Это объясняется правилом "подобное растворяется в подобном".

Полярные молекулы, такие как спирты, хорошо растворяются в полярных растворителях - воде, ацетоне. А неполярные (бензол, толуол) - в неполярных, например в бензине или масле.

Температуры кипения и плавления

Благодаря межмолекулярным водородным связям температуры плавления и кипения у полярных веществ выше, чем у неполярных аналогов.

Например, ацетон (полярен) кипит при +56°C, а гептан (неполярен) - при +98°C, хотя их молекулярные массы близки.

Реакционная способность

Полярные молекулы более реакционноспособны, чем неполярные, так как легче взаимодействуют с другими полярными веществами. Реакции с участием полярных молекул часто идут быстрее и при более мягких условиях.

К примеру, при взаимодействии полярного этилового спирта и неполярного гексана с концентрированной серной кислотой спирт прореагирует быстрее.

Таким образом, благодаря наличию электрического диполя полярные молекулы кардинально отличаются от неполярных по растворимости, реакционной способности и другим свойствам.

Поляризация диэлектриков полярные неполярные молекулы

При наложении внешнего электрического поля на вещество может происходить явление поляризации - наведение дипольных моментов в молекулах под действием этого поля. Молекулы как бы "выстраиваются" в направлении поля, и их собственные диполи ориентируются соответствующим образом.

Это приводит к повышению диэлектрической проницаемости вещества - его поляризуемости. У полярных молекул изначально есть постоянный дипольный момент, поэтому степень их поляризации выше. Неполярные молекулы слабо поляризуются, так как у них нет собственного диполя.

Яркий пример - вода, обладающая очень высокой диэлектрической проницаемостью благодаря сильной поляризуемости ее полярных молекул. А неполярные углеводороды (бензол, гексан) имеют низкую диэлектрическую проницаемость из-за слабой поляризации.