Miksi vesi on polaarinen molekyyli?

Vesi on polaarinen molekyyli, koska siinä on kaksi polaarista OH-sidosta, joiden dipolimomentit eivät kumoa toisiaan. Nämä dipolimomentit osoittavat happea kohti ja summautuvat yhteen antamaan molekyylille nettodipolimomentin.

Tämä napaisuus on vastuussa monista veden tyypillisistä ominaisuuksista, mukaan lukien osa sen kemiallisesta reaktiivisuudesta, sulamis- ja kiehumispisteistä ja sen kyvystä toimia yleisenä liuottimena muun muassa ionisille ja polaarisille liuenneille aineille.

Toisin sanoen veden, kuten minkä tahansa muun molekyylin, polariteetti on suora seuraus sen sidosten napaisuudesta sekä molekyyligeometriasta. Näiden kahden käsitteen ymmärtäminen ja niiden soveltaminen vesimolekyyliin antaa täydellisemmän käsityksen molekyylien polariteetista.

Mikä on polaarinen sidos?

Polaarinen sidos on kovalenttisen sidoksen tyyppi, jossa toinen kahdesta atomista on elektronegatiivisempi kuin toinen, joten sidoksen elektronitiheys vetää puoleensa voimakkaammin. Tämän seurauksena elektronit eivät jakaudu tasan. Elektronegatiivisempi atomi saa osittaisen negatiivisen varauksen (tunnistetaan δ-), kun taas toinen saa osittaisen positiivisen varauksen (tunnistetaan δ+).

Molemmat osavaraukset ovat samansuuruisia ja vastakkaisia, mikä tekee polaarisista sidoksista sähköisiä dipoleja .

Se, muodostavatko kaksi atomia polaarisen kovalenttisen sidoksen vai eivät, riippuu niiden elektronegatiivisuuksien erosta. Jos ero on liian suuri, sidos on ioninen, mutta jos se on hyvin pieni tai nolla, se on puhdas kovalenttinen sidos. Lopuksi sidos on polaarinen kovalenttinen, jos ero on keskimääräinen. Kunkin tapauksen rajat on esitetty seuraavassa taulukossa:

dipolimomentti

Napaisille sidoksille on ominaista dipolimomentti. Tämä on kreikkalaisella kirjaimella μ (mu) merkitty vektori, joka osoittaa sidosta elektronegatiivisemman atomin suuntaan. Tämän vektorin suuruus saadaan erotetun varauksen suuruuden tulona, ​​joka on verrannollinen elektronegatiivisuuksien eroon, ja kahden varauksen välisen etäisyyden, eli sidoksen pituuden, tulona.

Dipolimomentti on olennainen sen ymmärtämiseksi, miksi vesi on polaarinen, koska molekyylin kokonaispolariteetti tulee sen kaikkien dipolimomenttien vektorisummasta.

molekyyligeometria

Molekyylin geometria osoittaa, kuinka sen atomit ovat jakautuneet keskusatomin ympärille. Esimerkiksi vedessä keskusatomi on happi, joten molekyyligeometria osoittaa, kuinka kaksi vetyatomia ovat suunnattu hapen ympärille.

On olemassa erilaisia ​​tapoja määrittää molekyyligeometria. Yksinkertaisin on valenssielektroniparien repulsion teoria, jossa todetaan, että keskusatomia ympäröivät elektroniparit (olipa sitten sitoutuvia tai yksinäisiä elektronipareja) suunnataan mahdollisimman kauas toisistaan.

Sen jälkeen kun on määritetty, kuinka elektronit jakautuvat keskusatomin ympärille, geometria määritetään katsomalla, missä sidokset osoittavat (ei oteta huomioon yksittäisiä elektronipareja).

Kun olemme ymmärtäneet nämä kaksi käsitettä, analysoikaamme nyt vesimolekyyliä, sen sidoksia ja sen geometriaa:

Veden OH-sidokset ovat polaarisia sidoksia.

Vedessä on kaksi vetyatomia sitoutuneena yhteen happiatomiin. Hapen ja vedyn elektronegatiivisuusero on 1,24, mikä tekee siitä melko polaarisen sidoksen (katso yllä oleva taulukko). Yllä oleva kuva havainnollistaa tämän sidoksen dipolimomenttia. On huomioitava se tosiasia, että vektori piirretään usein linkin sivulle, jotta se on helppo tarkastella; kuitenkin se itse asiassa osuu yhteen OH-sidoksen kanssa osoittaen vetyytimestä happiytimeen.

Vesimolekyylillä on kulmageometria

^{Vesimolekyylissä happiatomi on sp 3} -hybridisoitunut ja sitä ympäröi neljä elektroniparia (kaksi vetysidosparia ja kaksi jakamatonta paria). Valenssielektroniparien repulsioteoria väittää, että neljä elektroniparia osoittaa kohti säännöllisen tetraedrin päitä. Toisin sanoen kaksi vetyatomia osoittavat kahta tetraedrin neljästä kulmasta, mikä tekee vesimolekyylistä kulmikkaan molekyylin.

Kahden sidoksen välisen kulman tulisi olla tetraedrikulma 109,5º, mutta kaksi yksinäistä elektroniparia hylkivät sidoselektroneja voimakkaammin kaventaen kulmaa hieman. Tuloksena on, että kaksi OH-sidosta vedessä muodostavat 104,45º kulman, kuten yllä olevassa kuvassa näkyy.

Napaiset sidokset + kulmageometria = polaarinen molekyyli

On tärkeää tunnustaa se tosiasia, että polaaristen sidosten omaaminen ei takaa molekyylin polaarisuutta. Itse asiassa hiilidioksidilla on kaksi polaarista sidosta, mutta niiden dipolimomentit kumoavat toisensa. Tästä syystä molekyyli on ei-polaarinen.

Näin ei tapahdu vesimolekyylin kanssa, koska se ei ole lineaarinen vaan kulmikas. Nyt kun meillä on selkeä kuva vesimolekyylin ominaisuuksista, voimme siirtyä molekyylin nettodipolimomentin määrittämiseen. Tämä tehdään piirtämällä molemmat dipolimomentit molekyylin päälle ja suorittamalla sitten vektorin lisäys:

Lisäys voidaan suorittaa graafisesti suunnikkaalla menetelmällä, kuten edellisen kuvan oikealla puolella on esitetty. Kuten voidaan nähdä, molemmat dipolimomentit tuottavat nettodipolimomentin, joka osoittaa kohti molekyylin keskustan läpi kulkevaa happea.

Viime kädessä tämä nettodipolimomentti on syy siihen, miksi vesi on polaarinen molekyyli.