なぜ水は極性分子なのですか?

水は、双極子モーメントが互いに打ち消し合わない 2 つの極性 OH 結合を持っているため、極性分子です。これらの双極子モーメントは酸素の方向を指し、合計されて分子に正味の双極子モーメントが与えられます。

この極性は、水の化学反応性、融点と沸点、イオン性および極性溶質の普遍的な溶媒として機能する能力など、水の特徴的な特性の多くを担っています。

言い換えれば、水の極性は、他の分子の極性と同様に、その結​​合の極性と分子形状の直接的な結果です。これら 2 つの概念と、それらが水分子にどのように適用されるかを理解すると、分子の極性についてより完全な考えが得られます。

極性結合とは何ですか？

極性結合は、2 つの原子のうちの 1 つが他の原子よりも電気陰性度が高い共有結合の一種であるため、結合の電子密度がより強く引き付けられます。この結果、電子は均等に共有されません。電気陰性度の高い原子は部分的な負電荷 (δ- で識別) を取得し、もう一方の原子は部分的な正電荷 (δ+ で識別) を取得します。

両方の部分電荷は大きさが等しく符号が反対であるため、極性結合は電気双極子になります。

2 つの原子が極性共有結合を形成するかどうかは、それらの電気陰性度の違いに依存します。差が大きすぎる場合、結合はイオンになりますが、非常に小さいかゼロの場合、純粋な共有結合になります。最後に、差が中間の場合、結合は極性共有結合になります。各ケースの制限を次の表に示します。

双極子モーメント

極性結合は、双極子モーメントによって特徴付けられます。これは、結合に沿って電気陰性度の高い原子の方向を指すギリシャ文字 μ (ミュー) で表されるベクトルです。このベクトルの大きさは、電気陰性度の差に比例する分離電荷の大きさと、2 つの電荷間の距離、つまり結合長の積で与えられます。

双極子モーメントは、分子の全極性がすべての双極子モーメントのベクトル和から得られるため、水が極性である理由を理解するために不可欠です。

分子構造

分子の形状は、その原子が中心原子の周りにどのように分布しているかを示します。たとえば、水の場合、中心原子は酸素であるため、分子構造は 2 つの水素原子が酸素の周りにどのように配置されているかを示します。

分子構造を決定するには、さまざまな方法があります。最も単純な方法は、価電子対反発の理論によるもので、中心原子を取り囲む電子対 (結合電子対または孤立電子対) は、互いにできるだけ離れた位置に配置されると述べています。

電子が中心原子の周りにどのように分布しているかを決定した後、結合がどこを指しているかを調べることによってジオメトリが決定されます (孤立電子対は考慮されません)。

これら 2 つの概念を理解したら、水分子、その結合、およびその形状を分析してみましょう。

水中のOH結合は極性結合です。

水は1個の酸素原子に結合した2個の水素原子を持っています。酸素と水素の電気陰性度の差は 1.24 であり、かなり極性のある結合になります (上の表を参照)。上の図は、この結合の双極子モーメントを示しています。ベクトルは見やすいようにリンクの横に描かれることが多いことに注意してください。ただし、実際には、水素原子核から酸素原子核に向かって指している OH 結合と一致します。

水分子は角度のある幾何学を持っています

^{水分子では、酸素原子は sp 3}混成であり、4 対の電子 (2 つの水素結合対と 2 つの非共有対) に囲まれています。価電子対反発理論では、4 対の電子が正四面体の両端を指すとされています。言い換えれば、2 つの水素原子は、四面体の 4 つの角のうち 2 つの方向を指し、水分子を角のある分子にします。

2 つの結合の間の角度は 109.5 度の四面体角である必要がありますが、2 つの孤立電子対が結合電子をより強く反発し、角度をわずかに狭めます。その結果、上の図に示すように、水中の 2 つの OH 結合は 104.45° の角度を形成します。

極性結合 + 角度の幾何学 = 極性分子

極性結合を持っていても、分子が極性であることは保証されないという事実を認識することが重要です。実際、二酸化炭素には 2 つの極性結合がありますが、それらの双極子モーメントは互いに打ち消し合います。このため、分子は無極性です。

水分子は直線的ではなく角度があるため、これは起こりません。水分子の特性を明確に把握したので、分子の正味の双極子モーメントの決定に進むことができます。これは、分子の上に両方の双極子モーメントを描画し、ベクトルの追加を実行することによって行われます。

加算は、前の図の右側に示すように、平行四辺形法を使用してグラフィカルに実行できます。見てわかるように、両方の双極子モーメントは、分子の中心を通過する酸素に向かって正味の双極子モーメントを生成します。

最終的に、この正味の双極子モーメントが、水が極性分子である理由です。