Tabla de Contenidos
Nước là phân tử phân cực vì nó có 2 liên kết OH phân cực mà momen lưỡng cực không triệt tiêu nhau. Những khoảnh khắc lưỡng cực này hướng về phía oxy và cộng lại để tạo cho phân tử một khoảnh khắc lưỡng cực ròng.
Tính phân cực này chịu trách nhiệm cho nhiều tính chất đặc trưng của nước, bao gồm một số phản ứng hóa học, điểm nóng chảy và sôi của nó, và khả năng hoạt động như một dung môi phổ quát cho các chất tan ion và phân cực, trong số những chất khác.
Nói cách khác, tính phân cực của nước, giống như của bất kỳ phân tử nào khác, là hệ quả trực tiếp của tính phân cực của các liên kết của nó, cũng như của hình học phân tử. Hiểu hai khái niệm này và cách chúng áp dụng cho phân tử nước sẽ mang lại ý tưởng đầy đủ hơn về sự phân cực của các phân tử.
Liên kết phân cực là gì?
Liên kết có cực là loại liên kết cộng hóa trị trong đó một trong hai nguyên tử có độ âm điện lớn hơn nguyên tử kia nên mật độ electron của liên kết hút mạnh hơn. Hậu quả của việc này là các electron không được chia đều. Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thu được một phần điện tích âm (được xác định bởi δ-), trong khi nguyên tử kia thu được một phần điện tích dương (được xác định bởi δ+).
Cả hai điện tích riêng phần đều có độ lớn bằng nhau và trái dấu, tạo nên các liên kết cực là các lưỡng cực điện .
Hai nguyên tử có tạo thành liên kết cộng hóa trị có cực hay không phụ thuộc vào sự khác biệt giữa độ âm điện của chúng. Nếu chênh lệch quá lớn, liên kết sẽ là liên kết ion, nhưng nếu chênh lệch rất nhỏ hoặc bằng 0, đó sẽ là liên kết cộng hóa trị thuần túy. Cuối cùng, liên kết sẽ là cộng hóa trị có cực nếu sự khác biệt là trung gian. Giới hạn cho từng trường hợp được trình bày trong bảng sau:
| Loại liên kết | chênh lệch độ âm điện | Ví dụ |
| sự gắn kết | >1,7 | NaCl; cuộc sống |
| liên kết cực | Giữa 0,4 và 1,7 | Ồ; HF; NH |
| liên kết cộng hóa trị không cực | <0,4 | CH; vi mạch |
| liên kết cộng hóa trị tinh khiết | 0 | H H ; ôi; FF |
khoảnh khắc lưỡng cực
Liên kết cực được đặc trưng bởi thời điểm lưỡng cực. Đây là một vectơ được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp μ (mu) chỉ dọc theo liên kết theo hướng của nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Độ lớn của vectơ này được cho bởi tích của độ lớn của điện tích riêng biệt, tỷ lệ thuận với hiệu độ âm điện và khoảng cách giữa hai điện tích, nghĩa là độ dài liên kết.
Moment lưỡng cực là điều cần thiết để hiểu tại sao nước lại có cực, vì tổng số cực của một phân tử đến từ tổng vectơ của tất cả các momen lưỡng cực của nó.
Hình học phân tử
Hình dạng của một phân tử chỉ ra cách các nguyên tử của nó được phân bố xung quanh một nguyên tử trung tâm. Ví dụ, trong nước, nguyên tử trung tâm là oxy, vì vậy dạng hình học phân tử cho biết hai nguyên tử hydro được định hướng xung quanh oxy như thế nào.
Có nhiều cách khác nhau để xác định hình học phân tử. Đơn giản nhất là thông qua thuyết lực đẩy cặp electron hóa trị, phát biểu rằng các cặp electron bao quanh nguyên tử trung tâm (dù là các cặp electron liên kết hay tự do) sẽ được định hướng sao cho càng xa nhau càng tốt.
Sau khi xác định cách các electron được phân bố xung quanh nguyên tử trung tâm, dạng hình học được xác định bằng cách xem xét vị trí của các liên kết (không tính đến các cặp electron đơn độc).
Đã hiểu hai khái niệm này, bây giờ chúng ta hãy phân tích phân tử nước, liên kết và hình học của nó:
Liên kết OH trong nước là liên kết phân cực.
Nước có hai nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy. Sự khác biệt về độ âm điện giữa oxy và hydro là 1,24, khiến nó trở thành một liên kết khá phân cực (xem bảng trên). Hình trên minh họa mômen lưỡng cực của liên kết này. Cần lưu ý rằng vectơ thường được vẽ ở bên cạnh liên kết để dễ xem; tuy nhiên, thực ra nó trùng với liên kết OH, hướng từ nhân hydro về phía nhân oxy.
Phân tử nước có dạng hình học góc
Trong phân tử nước, nguyên tử oxi ở trạng thái lai hóa sp 3 và được bao quanh bởi 4 cặp electron (2 cặp liên kết hiđro và 2 cặp không dùng chung). Thuyết lực đẩy cặp electron hóa trị phát biểu rằng bốn cặp electron sẽ hướng về hai đầu của một tứ diện đều. Nói cách khác, hai nguyên tử hydro sẽ hướng về hai trong bốn góc của một tứ diện, làm cho phân tử nước trở thành một phân tử có góc.
Góc giữa hai liên kết phải là góc tứ diện 109,5º, nhưng hai cặp electron đơn độc đẩy các electron liên kết mạnh hơn, làm góc này hẹp lại một chút. Kết quả là hai liên kết OH trong nước tạo thành một góc 104,45º như trong hình trên.
Liên kết cực + hình học góc = phân tử cực
Điều quan trọng là phải nhận ra thực tế rằng việc có các liên kết phân cực không đảm bảo rằng một phân tử là phân cực. Trên thực tế, carbon dioxide có hai liên kết cực, nhưng các momen lưỡng cực của chúng triệt tiêu lẫn nhau. Vì lý do này, phân tử không phân cực.
Điều này không xảy ra với phân tử nước, vì nó không có dạng tuyến tính mà có dạng góc cạnh. Bây giờ chúng ta đã có một bức tranh rõ ràng về các đặc tính của phân tử nước, chúng ta có thể chuyển sang xác định mômen lưỡng cực ròng của phân tử. Điều này được thực hiện bằng cách vẽ cả hai momen lưỡng cực lên trên phân tử, sau đó thực hiện phép cộng vectơ:
Phép cộng có thể được thực hiện bằng đồ thị, sử dụng phương pháp hình bình hành, như thể hiện ở phía bên phải của hình trước. Như có thể thấy, cả hai khoảnh khắc lưỡng cực đều tạo ra một khoảnh khắc lưỡng cực ròng hướng về phía oxy đi qua trung tâm của phân tử.
Cuối cùng, khoảnh khắc lưỡng cực ròng này là lý do tại sao nước là một phân tử phân cực.
