Дізнаємося сьогодні, як визначити полярність зв'язку і навіщо це потрібно. Розкриємо фізичний зміст розглянутої величини.

Хімія і фізика

Коли-то всі дисципліни, присвячені вивчення навколишнього світу, об'єднувалися одним визначенням. І астрономи, і алхіміки, і біологи були філософами. Але зараз існує строгий розподіл за розділами науки, а великі університети точно знають, що потрібно знати математикам, а що – лінгвістам. Втім, у разі хімії і фізики чіткої межі немає. Часто вони взаємно проникають один в одного, а буває, що йдуть паралельними курсами. Зокрема, спірним об'єктом є полярність зв'язку. Як визначити, чи відноситься ця область знання до фізики чи хімії? За формальною ознакою – до другої науці: зараз школярі вивчають це поняття як частина хімії, але без знань з фізики їм не обійтися.

Будова атома

Для того щоб зрозуміти, як визначити полярність зв'язку, спочатку треба згадати, як влаштований атом. В кінці дев'ятнадцятого століття було відомо, що будь-нейтральний атом в цілому, але містить в різних обставинах різні заряди. Резерфод встановив, що в центрі будь-якого атома розташовується важке і позитивно заряджене ядро. Заряд атомного ядра завжди цілочисельний, тобто він становить +1 +2 і так далі. Навколо ядра розташовується відповідну кількість легких негативно заряджених електронів, число яких строго відповідає заряду ядра. Тобто якщо заряд ядра +32 то навколо нього повинні розташовуватися тридцять два електрона. Вони займають певні позиції навколо ядра. Кожен електрон як би «розмазаний» навколо ядра на своїй орбіталі. Її форма, позиція і відстань до ядра визначаються чотирма квантовими числами.

Чому виникає полярність

У нейтральному атомі, розташованому далеко від інших частинок (наприклад, в глибокому космосі, поза галактики), всі орбіталі симетричні щодо центру. Незважаючи на доволі складну форму деяких з них, орбіталі будь-яких двох електронів не перетинаються в одному атомі. Але якщо наш окремо взятий атом у вакуумі зустріне на своєму шляху іншого (наприклад, увійде в хмару газу), то він захоче взаємодіяти з ним: орбіталі зовнішніх валентних електронів витягнуться у бік сусіднього атома, зіллються з ним. Виникне загальна електронне хмара, нове хімічне з'єднання і, отже, полярність зв'язку. Як визначити, якою атом візьме на себе більшу частину загального електронного хмари, розповімо далі.

Якими бувають хімічні зв'язки

В залежності від типу взаємодіючих молекул, різниці в зарядах їх ядер і сили виникає тяжіння, існують наступні типи хімічних зв'язків:

одноэлектронная;

металева;

ковалентний;

іонна;

ван-дер-ваальсова;

воднева;

двухэлектронная трехцентровая.

Для того щоб задаватися питанням про те, як визначити полярність зв'язку в сполуці, вона повинна бути ковалентного або іонної (як, наприклад, у солі NaCl). В цілому ці два типи зв'язку розрізняються лише тим, наскільки сильно зміщується електронне хмара в бік одного з атомів. Якщо ковалентний зв'язок не утворена двома однаковими атомами (наприклад, Про 2 ), то вона завжди злегка поляризована. У іонної зв'язку зміщення сильніше. Вважається, що іонна зв'язок приводить до утворення іонів, так як один з атомів «забирає» електрони іншого.
Але насправді повністю полярних сполук не існує: просто один іон дуже сильно притягує до себе загальну електронне хмара. Настільки сильно, що залишилися шматочком рівноваги можна знехтувати. Отже, сподіваємося, стало зрозуміло, що визначити полярність ковалентного зв'язку, полярність іонної зв'язку не має сенсу визначати. Хоча в даному випадку відмінність між цими двома типами зв'язку – це наближення, модель, а не справжнє фізичне явище.

Визначення полярності зв'язку

Сподіваємося, що читач вже зрозумів, що полярність хімічного зв'язку – це відхилення розподілу в просторі загального електронного хмари від рівноважного. А рівноважний розподіл існує в ізольованому атомі.

Способи вимірювання полярності

Як визначити полярність зв'язку? Питання це далеко не однозначний. Для початку треба сказати, що раз симетрія електронного хмари поляризованого атома відрізняється від аналогічної нейтрального, то і рентгенівський спектр зміниться. Таким чином, зміщення ліній у спектрі дасть уявлення про те, яка полярність зв'язку. А якщо потрібно зрозуміти, як визначити полярність зв'язку в молекулі більш точно, то треба знати не тільки спектр випускання або поглинання. Потрібно з'ясувати:

розміри беруть участь у зв'язку атомів;

заряди їх ядер;

які зв'язки були створені у атома до виникнення;

яка структура всього речовини;

якщо кристалічна структура, які в ній існують дефекти і як вони впливають на всі речовина.

Полярність зв'язку позначається як верхній знак наступного виду: 017+ або 03-. Варто також пам'ятати, що один і той же вид атомів буде мати несхожу полярність зв'язку у сполуках з різними речовинами. Наприклад, оксид BeO у кисню полярність 035-, а в MgO – 042-.

Полярність атома

Читач може задати питання: "Як визначити полярність хімічного зв'язку, якщо чинників так багато?" Відповідь одночасно і простий, і складний. Кількісні заходи полярності визначаються як ефективні заряди атома. Ця величина є різницею між зарядом перебуває у певній галузі електрона і відповідної області ядра. В цілому ця величина досить добре показує певну асиметричність електронного хмари, яка виникає при утворенні хімічного зв'язку. Складність полягає в тому, що визначити, яка саме область знаходження електрона належить саме цій зв'язку (особливо в складних молекулах) майже неможливо. Так що, як і у випадку поділу хімічних зв'язків на іонні і ковалентні, вчені вдаються до спрощень і моделям. При цьому відкидаються ті фактори і значення, які впливають на результат незначно.

Фізичний сенс полярності з'єднання

Який же фізичний зміст значення полярності зв'язку? Розглянемо один приклад. Атом водню H входить як під фтороводородную кислоту (HF), так і в соляну (HCl). Його полярність HF дорівнює 040+, в HCl – 018+. Це означає, що загальна електронне хмара набагато сильніше відхиляється в бік фтору, ніж у бік хлору. І значить, що электроотрицательность атома фтору набагато сильніше електронегативності атома хлору.

Полярність атома в молекулі

Але вдумливий читач згадає, що, крім простих сполук, у яких присутні два атома, існують і більш складні. Наприклад, щоб утворити одну молекулу сірчаної кислоти (H 2 SO 4 ), потрібно два атома водню, сірки, і цілих чотири кисню. Тоді виникає інше питання: як визначити найбільшу полярність зв'язку в молекулі? Для початку треба пам'ятати, що будь-яке з'єднання має деяку структуру. Тобто сірчана кислота – це не нагромадження всіх атомів в одну велику купу, а якась структура. До центрального атому сірки приєднуються чотири атома кисню, утворюючи подобу хреста. З двох протилежних сторін атоми кисню приєднуються до сірці подвійними зв'язками. З двох інших сторін атоми кисню приєднуються до сірці одинарними зв'язками і «тримають» з іншого боку за воднем. Таким чином, в молекулі сірчаної кислоти існують наступні зв'язки:

O-H;

So;

S=O.

Визначивши за довідником полярність кожної з цих зв'язків, можна знайти найбільшу. Проте варто пам'ятати, що якщо в кінці довгого ланцюжка атомів варто сильно електронегативний елемент, то він може «перетягувати» на себе електронні хмари сусідніх зв'язків, підвищуючи їх полярність. У більш складною, ніж ланцюжок, структурі цілком можливі інші ефекти.

Чим полярність молекули відрізняється від полярності зв'язку?

Як визначити полярність зв'язку, ми розповіли. В чому полягає фізичний зміст поняття, ми розкрили. Але ці слова зустрічаються і в інших словосполученнях, які відносяться до даного розділу хімії. Напевно читачів цікавить, яким чином взаємодіють хімічні зв'язки і полярність молекул. Відповідаємо: ці поняття взаємно доповнюють один одного і неможливі окремо. Це ми продемонструємо на класичному прикладі води. В молекулі H 2 O дві однакові зв'язку H-O. Між ними кут в 10445 градуси. Так що структура молекули води являє собою щось на зразок двузубой виделки з водородами на кінцях. Кисень – це більш електронегативний атом, він відтягує на себе електронні хмари двох воднів. Таким чином, при загальній електронейтральності, зубчики вилки виходять трохи більш позитивними, а підстава – трохи більш негативним. Спрощення призводить до того, що молекула води має полюса. Це і називається полярності молекули. Тому вода - такий хороший розчинник, ця різниця в зарядах дозволяє молекулам трохи відтягувати на себе електронні хмари інших речовин, роз'єднуючи кристали молекул, а молекули – на атоми. Щоб зрозуміти, чому у молекул при відсутності заряду існує полярність, треба пам'ятати: важлива не тільки хімічна формула речовини, але і будова молекули, види і типи зв'язків, які в ній виникають, різниця електронегативності входять до неї атомів.

Наведена чи вимушена полярність

Крім власної полярності, існує ще і наведена або викликана факторами ззовні. Якщо на молекулу діє зовнішнє електромагнітне поле, яке значніше існуючих усередині молекули сил, то воно здатне змінити конфігурацію електронних хмар. Тобто якщо молекула кисню тягне на себе хмари водню H 2 O, і зовнішнє поле сонаправлено з цим дією, то поляризація посилюється. Якщо поле як би заважає кисню, то полярність зв'язку трохи зменшується. Треба зазначити, що потрібно докласти досить велике зусилля, щоб якось вплинути на полярність молекул, і ще більше – щоб вплинути на полярність хімічного зв'язку. Досягається цей ефект тільки в лабораторіях і космічних процесах. Звичайна мікрохвильова лише посилює амплітуду коливань атомів води і жирів. Але це ніяк не впливає на полярність зв'язку.

В якому випадку має сенс напрямок полярності

У зв'язку з терміном, який розглядається нами, не можна не згадати, що таке пряма і зворотна полярність. Якщо йдеться про молекули, то полярність має знак «плюс» або «мінус». Це означає, що атом або віддає своє електронне хмара і таким чином стає трохи більш позитивним, або, навпаки, тягне хмара на себе і набуває негативний заряд. А напрямок полярності має сенс тільки тоді, коли заряд рухається, тобто коли по провіднику йде струм. Як відомо, електрони рухаються від їх джерела (негативно зарядженого) до місця тяжіння (позитивно зарядженого). Варто нагадати, що існує теорія, згідно з якою електрони насправді рухаються у зворотний бік: від джерела позитивного до негативного. Але в цілому це не має значення, важливий лише факт їх руху. Так от, в деяких процесах, наприклад при зварюванні металевих частин, важливо, куди саме приєднані які полюса. Отже, важливо знати, як підключена полярність: безпосередньо або у зворотний бік. У деяких приладах, навіть побутових, це теж має значення.