ทำไมน้ำถึงเป็นโมเลกุลมีขั้ว?

น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้วเพราะมีพันธะ OH ที่มีขั้วสองพันธะซึ่งโมเมนต์ไดโพลจะไม่หักล้างกัน โมเมนต์ไดโพลเหล่านี้ชี้ไปที่ออกซิเจนและรวมกันเพื่อให้โมเลกุลมีโมเมนต์ไดโพลสุทธิ

ความเป็นขั้วนี้มีส่วนรับผิดชอบต่อคุณสมบัติลักษณะเฉพาะหลายประการของน้ำ รวมถึงปฏิกิริยาทางเคมีบางประการ จุดหลอมเหลวและจุดเดือด และความสามารถในการทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายสากลสำหรับตัวละลายไอออนิกและตัวละลายที่มีขั้ว และอื่นๆ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเป็นขั้วของน้ำ เช่นเดียวกับโมเลกุลอื่นๆ เป็นผลโดยตรงจากความเป็นขั้วของพันธะ เช่นเดียวกับเรขาคณิตของโมเลกุล การทำความเข้าใจกับแนวคิดทั้งสองนี้และวิธีการนำไปใช้กับโมเลกุลของน้ำจะทำให้เข้าใจแนวคิดที่สมบูรณ์มากขึ้นเกี่ยวกับขั้วของโมเลกุล

พันธะขั้วโลกคืออะไร?

พันธะมีขั้วเป็นพันธะโคเวเลนต์ประเภทหนึ่งซึ่งอะตอมหนึ่งในสองอะตอมมีประจุไฟฟ้าลบมากกว่าอะตอมอื่น ดังนั้นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของพันธะจึงดึงดูดได้แรงกว่า ผลที่ตามมาคืออิเล็กตรอนจะแบ่งไม่เท่ากัน อะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีมากกว่าจะได้รับประจุลบบางส่วน (ระบุโดย δ-) ในขณะที่อะตอมอื่นได้รับประจุบวกบางส่วน (ระบุโดย δ+)

ประจุบาง ส่วนทั้งสองมีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงกันข้าม ทำให้พันธะมีขั้วเป็นไดโพลไฟฟ้า

การที่อะตอมสองอะตอมสร้างพันธะโควาเลนต์แบบมีขั้วหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของอะตอม ถ้าผลต่างมากเกินไป พันธะจะเป็นไอออนิก แต่ถ้ามีค่าน้อยหรือเป็นศูนย์ พันธะนั้นจะเป็นพันธะโควาเลนต์บริสุทธิ์ สุดท้าย พันธะจะเป็นโควาเลนต์เชิงขั้วหากผลต่างอยู่ระดับกลาง ขีดจำกัดสำหรับแต่ละกรณีแสดงอยู่ในตารางต่อไปนี้:

โมเมนต์ไดโพล

พันธะขั้วโลกมีลักษณะเฉพาะคือโมเมนต์ไดโพล นี่คือเวกเตอร์ที่แสดงโดยตัวอักษรกรีก μ (mu) ซึ่งชี้ไปตามพันธะในทิศทางของอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบมากกว่า ขนาดของเวกเตอร์นี้กำหนดโดยผลคูณของขนาดของประจุที่แยกจากกัน ซึ่งเป็นสัดส่วนกับผลต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตี้และระยะห่างระหว่างประจุทั้งสอง นั่นคือ ความยาวพันธะ

โมเมนต์ไดโพลมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจว่าเหตุใดน้ำจึงมีขั้ว เนื่องจากขั้วรวมของโมเลกุลมาจากผลรวมเวกเตอร์ของโมเมนต์ไดโพลทั้งหมด

เรขาคณิตโมเลกุล

รูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลบ่งบอกถึงลักษณะการกระจายตัวของอะตอมรอบๆ อะตอมกลาง ตัวอย่างเช่น ในน้ำ อะตอมกลางคือออกซิเจน ดังนั้นรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลบ่งชี้ว่าอะตอมของไฮโดรเจนทั้งสองโคจรรอบออกซิเจนอย่างไร

มีหลายวิธีในการกำหนดรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล วิธีที่ง่ายที่สุดคือผ่านทฤษฎีการผลักกันของเวเลนซ์อิเล็กตรอนคู่ ซึ่งระบุว่า คู่ของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ อะตอมกลาง (ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะหรือคู่โดดเดี่ยว) จะถูกจัดให้อยู่ห่างจากกันและกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

หลังจากกำหนดวิธีการกระจายอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางแล้ว รูปทรงเรขาคณิตจะถูกกำหนดโดยดูที่จุดยึดเหนี่ยว (ไม่คำนึงถึงอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว)

เมื่อเข้าใจแนวคิดทั้งสองนี้แล้ว ให้เราวิเคราะห์โมเลกุลของน้ำ พันธะ และรูปทรงเรขาคณิตของมัน:

พันธะ OH ในน้ำเป็นพันธะที่มีขั้ว

น้ำมีไฮโดรเจนสองอะตอมสร้างพันธะกับออกซิเจนหนึ่งอะตอม ความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างออกซิเจนและไฮโดรเจนคือ 1.24 ทำให้มีพันธะที่ค่อนข้างมีขั้ว (ดูตารางด้านบน) รูปด้านบนแสดงไดโพลโมเมนต์ของพันธะนี้ ควรคำนึงถึงความจริงที่ว่าเวกเตอร์มักจะถูกวาดไว้ที่ด้านข้างของลิงก์เพื่อให้ดูได้ง่าย อย่างไรก็ตาม มันเกิดขึ้นพร้อมกับพันธะ OH ซึ่งชี้จากนิวเคลียสของไฮโดรเจนไปยังนิวเคลียสของออกซิเจน

โมเลกุลของน้ำมีรูปทรงเรขาคณิตเชิงมุม

ในโมเลกุลของน้ำ อะตอมของออกซิเจนจะ ถูก ไฮบริไดซ์ sp ³และล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนสี่คู่ ทฤษฎีการผลักคู่อิเล็กตรอนของเวเลนซ์ระบุว่าอิเล็กตรอนสี่คู่จะชี้ไปที่ปลายของจัตุรมุขปกติ กล่าวอีกนัยหนึ่ง อะตอมของไฮโดรเจนทั้งสองจะชี้ไปที่มุมสองในสี่มุมของทรงจัตุรมุข ทำให้โมเลกุลของน้ำเป็นโมเลกุลเชิงมุม

มุมระหว่างพันธะทั้งสองควรเป็นมุม tetrahedral ที่ 109.5º แต่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่จะผลักอิเล็กตรอนร่วมพันธะออกแรงกว่า ทำให้มุมแคบลงเล็กน้อย ผลที่ได้คือพันธะ OH ทั้งสองในน้ำทำมุม 104.45º ดังแสดงในรูปด้านบน

พันธะขั้วโลก + เรขาคณิตเชิงมุม = โมเลกุลมีขั้ว

สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักถึงความจริงที่ว่าการมีพันธะมีขั้วไม่ได้รับประกันว่าโมเลกุลจะมีขั้ว ในความเป็นจริง คาร์บอนไดออกไซด์มีพันธะสองขั้ว แต่โมเมนต์ไดโพลของพวกมันหักล้างกัน ด้วยเหตุนี้โมเลกุลจึงไม่มีขั้ว

สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นกับโมเลกุลของน้ำ เนื่องจากมันไม่เป็นเชิงเส้นแต่เป็นเชิงมุม ตอนนี้เรามีภาพที่ชัดเจนเกี่ยวกับลักษณะของโมเลกุลของน้ำแล้ว เราสามารถไปยังการกำหนดโมเมนต์ไดโพลสุทธิของโมเลกุลได้ สิ่งนี้ทำได้โดยการวาดโมเมนต์ไดโพลทั้งสองบนสุดของโมเลกุล จากนั้นทำการบวกเวกเตอร์:

การเพิ่มสามารถทำได้แบบกราฟิกโดยใช้วิธีการสี่เหลี่ยมด้านขนานดังที่แสดงทางด้านขวาของรูปก่อนหน้า ดังที่เห็นได้ โมเมนต์ไดโพลทั้งสองสร้างโมเมนต์ไดโพลสุทธิที่ชี้ไปยังออกซิเจนที่ผ่านศูนย์กลางของโมเลกุล

ในที่สุด โมเมนต์ไดโพลสุทธินี้เป็นสาเหตุที่ทำให้น้ำเป็นโมเลกุลมีขั้ว