Полярность связей и дипольный момент

Частичные заряды на связях

Формальные заряды из урока 2 целые: они показывают, что у атома на целый электрон больше или меньше, чем у свободного атома. Но даже в нейтральной молекуле электроны связи распределены неравномерно: их сильнее притягивает более электроотрицательный атом. Он получает частичный отрицательный заряд δ−, его партнёр по связи — частичный положительный заряд δ+. Эти заряды меньше единицы, но именно они определяют, к какому атому направится реагент, и делают молекулы полярными, а от полярности зависят свойства веществ (уроки 9–11).

Как расставить частичные заряды

1. Сравните электроотрицательности атомов связи.
2. δ− — на более электроотрицательном атоме, δ+ — на партнёре.
3. Разница меньше 0,5 — связь практически неполярна (C–H).

Примеры

1. Бромэтан. \(\ce{CH3-CH2^{\delta+}-Br^{\delta-}}\) — углерод при броме δ+.

2. Метанол. \(\ce{CH3^{\delta+}-O^{\delta-}-H^{\delta+}}\) — и углерод, и водород при кислороде δ+.

3. Ацетальдегид. \(\ce{CH3-CH^{\delta+}=O^{\delta-}}\) — углерод карбонильной группы δ+.

4. Метиллитий. \(\ce{CH3^{\delta-}-Li^{\delta+}}\) — с металлом углерод получает δ−.

5. Связь C–H. \(\chi(\ce{C}) - \chi(\ce{H}) = 2{,}5 - 2{,}2 = 0{,}3\) — связь почти неполярна.

Атом с δ+ — электрофильный центр: к нему идут частицы с парой электронов. Атом с δ− или с неподелённой парой — нуклеофильный центр. Например, гидроксид-ион атакует углерод бромэтана с δ+, и бром уходит бромид-ионом:

Дипольный момент молекулы

Полярные связи из первой части урока складываются. У каждой полярной связи есть диполь — стрелка от δ+ к δ−; полярность молекулы целиком определяется их суммой с учётом направлений, то есть формой молекулы (урок 6).

Как определить, полярна ли молекула

1. Найдите полярные связи.
2. Определите форму молекулы.
3. Сложите диполи как векторы. Если они направлены симметрично и гасят друг друга, дипольный момент равен нулю и молекула неполярна. Если нет — молекула полярна.

Примеры

1. Углекислый газ \(\ce{O=C=O}\). Две полярные связи C=O, но молекула линейная: диполи направлены в разные стороны и гасятся, \(\mu = 0\).

2. Вода \(\ce{H2O}\). Молекула изогнута — диполи двух связей O–H складываются: \(\mu = 1{,}85\) Д.

3. \(\ce{CCl4}\) и \(\ce{CH2Cl2}\). В тетрахлорметане четыре одинаковых диполя направлены к вершинам тетраэдра и гасятся — \(\mu = 0\). В дихлорметане симметрия нарушена — \(\mu = 1{,}6\) Д.

4. Цис- и транс-1,2-дихлорэтен \(\ce{ClCH=CHCl}\). В цис-изомере оба хлора с одной стороны — диполи складываются, \(\mu \approx 1{,}9\) Д. В транс-изомере они направлены противоположно — \(\mu = 0\).