Tabla de Contenidos
Istnieją trzy podstawowe typy wiązań chemicznych, które utrzymują atomy razem, a mianowicie wiązanie jonowe , wiązanie kowalencyjne i wiązanie metaliczne . Ponadto wiązania kowalencyjne można podzielić na kilka klas w zależności od liczby elektronów biorących udział w wiązaniu, pochodzenia elektronów (czy pochodzą z jednego lub obu atomów) oraz jednorodności rozkładu gęstości elektronów wokół nich. . Wiązanie polarne definiuje się jako rodzaj wiązania kowalencyjnego, w którym atomy nie dzielą równo elektronów, ponieważ mają różne elektroujemności .
Należy pamiętać, że wiązanie kowalencyjne to takie, w którym jedna lub więcej par elektronów walencyjnych jest wspólnych między dwoma atomami, co utrzymuje je razem.
Powodem, dla którego nazywa się je wiązaniami polarnymi, jest to, że w tego typu wiązaniach gęstość elektronów jest nieco przesunięta w kierunku pierwiastka bardziej elektroujemnego, więc uzyskuje on częściowo ujemny ładunek (reprezentowany przez symbol δ-), podczas gdy drugi atom nabywa częściowo dodatni ładunek (reprezentowany przez symbol δ+). Patrząc w ten sposób, łącze jest dipolem elektrycznym, ponieważ ma biegun dodatni i ujemny.
Wiązanie biegunowe i różnica elektroujemności
Elektroujemność atomu to liczba reprezentująca jego zdolność do przyciągania elektronów, gdy jest chemicznie związany z innym atomem. Ta właściwość jest mierzona w skali od 0,65 dla franka do 4,0 dla fluoru, który jest odpowiednio najmniej i najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem.
Elektroujemność jest ściśle związana z wiązaniami chemicznymi iw rzeczywistości w wielu przypadkach określa rodzaj wiązania, które zostanie utworzone między dwoma atomami różnych pierwiastków. Jeśli różnica jest duża, wiązanie będzie jonowe, a jeśli jest bardzo mała lub nie ma różnicy, wówczas wiązanie będzie kowalencyjne. Ale jeśli różnica jest pośrednia, będziemy w obecności wiązania biegunowego.
Rodzi to jednak bardzo ważne pytanie: Skąd wiadomo, kiedy różnica jest wystarczająco duża, aby zdefiniować wiązanie jonowe, lub wystarczająco mała, aby zdefiniować wiązanie czysto kowalencyjne?
Ze względu na to, że charakter jonowy i kowalencyjny nie zmienia się gwałtownie, lecz stopniowo, granice między jednym a drugim typem wiązania ulegają pewnemu zatarciu. Jednak chemicy ustalili następującą konwencję, która pozwala na jaśniejszą definicję tego, czym jest polarne wiązanie kowalencyjne:
| 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 |
Wiązania biegunowe i moment dipolowy
Wyjaśniono już, że wiązania biegunowe są dipolami elektrycznymi. Dipole elektryczne charakteryzują się czymś, co nazywa się momentem dipolowym, który jest wektorem reprezentowanym przez grecką literę μ (mu), wskazującą od atomu mniej elektroujemnego do atomu bardziej elektroujemnego.
Wielkość momentu dipolowego jest określona jako iloczyn ładunku na biegunach i długości dipola (w tym przypadku długości wiązania). W przypadku wiązań polarnych moment dipolowy jest proporcjonalny do różnicy elektroujemności między dwoma związanymi atomami.
Wiązanie polarne i biegunowość
Kiedy cząsteczka ma tylko jedno wiązanie polarne, wówczas cząsteczka jako całość ma moment dipolowy i mówi się, że cząsteczka jest polarna . Polarność jest bardzo ważną właściwością w związkach molekularnych, ponieważ określa takie właściwości, jak między innymi rozpuszczalność w różnych rozpuszczalnikach, temperatury topnienia i wrzenia.
Należy jednak zauważyć, że fakt posiadania wiązań polarnych nie gwarantuje, że cząsteczka jest polarna. Gdy cząsteczka ma więcej niż jedno wiązanie polarne, całkowita polarność cząsteczki będzie dana sumą momentów dipolowych wszystkich jej wiązań polarnych . Te momenty dipolowe sumują się jako wektory. Z tego powodu może się zdarzyć, że momenty dipolowe różnych wiązań polarnych znoszą się nawzajem, a cząsteczka jako taka będzie niepolarna, pomimo posiadania wiązań polarnych. Jeśli nie anulują, cząsteczka będzie polarna.
Przykłady wiązań polarnych
Wiązania biegunowe występują w większości przypadków między elementami niemetalicznymi. Ogólnie rzecz biorąc, im dalej znajdują się one w układzie okresowym, tym większa jest różnica elektroujemności między dwoma atomami, a tym samym większy moment dipolowy wiązania, tj. wiązanie będzie bardziej polarne.
Oto kilka przykładów reprezentatywnych wiązań polarnych, które pojawiają się bardzo często w chemii organicznej:
wiązanie OH
Istnieje wiele związków molekularnych, które mają wiązania OH. Najbardziej znana jest oczywiście woda, której wzór cząsteczkowy to H 2 O i która ma dwa wiązania OH. Istnieje jednak niezliczona ilość innych związków z tego typu wiązaniami, w tym alkohole, fenole, kwasy karboksylowe i wiele innych.
Różnica elektroujemności między tlenem a wodorem wynosi 1,24, co czyni to
łącze CO
Wiązanie CO jest kolejnym bardzo powszechnym przykładem wielu związków organicznych, w tym alkoholi, eterów, kwasów i wielu innych. Różnica elektroujemności między węglem a tlenem wynosi 0,89. To wiązanie jest odpowiedzialne za polarność eterów i jest częściowo odpowiedzialne za polarność wielu innych związków.
łącze CN
Aminy, amidy i niezliczone inne związki, w tym DNA i wszystkie białka, zawierają wiele wiązań CN. Przy różnicy elektroujemności wynoszącej 0,49 wiązanie to jest bliskie granicy między wiązaniem polarnym a niepolarnym wiązaniem kowalencyjnym.
Link NH
Różnica elektroujemności między azotem a wodorem wynosi 0,84, co czyni to wiązanie dość polarne. W rzeczywistości ta polaryzacja wiązania oznacza, że wodór przyłączony do azotu może tworzyć część specjalnego rodzaju wiązania kowalencyjnego między trzema jądrami, zwanego wiązaniem wodorowym, które jest odpowiedzialne za wiele właściwości związków, które mogą je tworzyć.
C=O wiązanie
Jest to ważny przykład, ponieważ podkreśla fakt, że polaryzacja wiązań kowalencyjnych jest pojęciem niezależnym od kolejności wiązań. Wiązanie może być spolaryzowane lub niespolaryzowane, niezależnie od tego, czy jest to wiązanie pojedyncze, podwójne czy potrójne.
W związku z tym wiązanie C=O jest nadal polarne, niezależnie od tego, że jest to wiązanie podwójne. Istnieje jednak różnica w polaryzacji, ponieważ elektroujemności pierwiastków zależą od hybrydyzacji. W tym przypadku zarówno węgiel, jak i tlen są zhybrydyzowane sp 2 , co czyni je bardziej elektroujemnymi, ale nadal istnieje różnica w elektroujemnościach między nimi.
Łącze HF – Wyjątek od reguły
Jak wspomniano powyżej, granice między charakterem kowalencyjnym a jonowym są zatarte, a definicja wiązania polarnego pod względem różnicy elektroujemności może przedstawiać wyjątki. Bardzo powszechnym jest fluorowodór lub HF.
Dla tego związku różnica elektroujemności wynosi 1,78. To, zgodnie z poprzednią definicją, umieszczałoby HF w związkach jonowych. Jednak tym, co czyni związek jonowym lub kowalencyjnym, jest nie tylko różnica w elektroujemności, ale także (a właściwie przede wszystkim) jego właściwości fizyczne i chemiczne.
Wiązanie jonowe charakteryzuje się tym, że jest bardzo silne i generuje krystaliczne ciała stałe o bardzo wysokich temperaturach topnienia i wrzenia. Jednak HF jest gazem w temperaturze pokojowej, ponieważ jego temperatura wrzenia wynosi tylko 19,5°C. Porównaj z temperaturą wrzenia chlorku sodu, która wynosi 1465 ºC.
Ponadto HF składa się z dwóch niemetali zamiast niemetalu i metalu, jak ma to miejsce w przypadku związków jonowych. Z tych dwóch powodów HF jest uważany za polarny związek kowalencyjny , pomimo dużej różnicy elektroujemności między wodorem i fluorem.
Link SH – inny wyjątek
Wiązanie SH jest przykładem wiązania kowalencyjnego, które jest uważane za polarne, mimo że nie spełnia warunku różnicy elektroujemności. W tym przypadku różnica wynosi 0,38, co stawiałoby je w grupie wiązań kowalencyjnych niespolaryzowanych, jednak chemicy są zgodni co do tego, że wiązanie to jest w rzeczywistości polarne.
