Cząsteczki apolarne: charakterystyka, sposób ich identyfikacji i przykłady

Cząsteczki apolarne to takie, które w swojej strukturze mają symetryczny rozkład ich elektronów. Jest to możliwe, jeśli różnica elektroujemności jego atomów jest mała lub jeśli elektronowe ujemne atomy lub grupy anulują swoje działanie w cząsteczce.

Nie zawsze „apolarność” jest absolutna. Z tego powodu cząsteczki polarności polarnej są czasami uważane za niepolarne; to znaczy, że ma moment dipolarny μ bliski 0. Tutaj wchodzi się w teren względnego: jak niska musi być μ dla cząsteczki lub związku, aby zostać uznanym za niepolarny?

Aby lepiej rozwiązać ten problem, mamy cząsteczkę trifluorku boru, BF 3 (górny obraz).

Atom fluoru jest znacznie bardziej elektroujemny niż atom boru, a zatem wiązania BF są polarne. Cząsteczka BF 3 jest jednak symetryczna (płaszczyzna trygonalna) i wiąże się z anulowaniem wektora trzech momentów BF.

W ten sposób powstają również molekuły apolarne, nawet przy istnieniu wiązań polarnych. Wygenerowana biegunowość może być zrównoważona przez istnienie innego ogniwa polarnego o tej samej wielkości co poprzednie, ale zorientowanego w przeciwnym kierunku; jak to się dzieje w BF 3 .

Charakterystyka cząsteczki niepolarnej

Symetria

Aby efekty wiązań polarnych mogły się wzajemnie anulować, cząsteczka musi mieć pewną strukturę geometryczną; na przykład liniowy, najłatwiejszy do zrozumienia na pierwszy rzut oka.

Tak jest w przypadku dwutlenku węgla (CO 2 ), który ma dwa wiązania polarne (O = C = O). Wynika to z faktu, że dwa momenty dipolarne wiązań C = O znoszą się, gdy są zorientowane na jedną stronę, a drugie na drugie, pod kątem 180 °.

Dlatego jedną z pierwszych cech branych pod uwagę przy ocenie „apolarności” cząsteczki jako oka ptaka jest obserwacja jej symetryczności.

Załóżmy, że zamiast CO 2 mamy cząsteczkę COS (O = C = S), zwaną siarczkiem karbonylu.

Teraz nie jest już cząsteczką apolarną, ponieważ elektroujemność siarki jest mniejsza niż tlenu; i dlatego moment dipolowy C = S jest różny od momentu C = O. W rezultacie COS jest cząsteczką polarną (jak polarna jest mąka z innego worka).

Dolny obraz podsumowuje w sposób graficzny wszystko, co zostało właśnie opisane:

Należy zauważyć, że moment dipolowy wiązania C = S jest mniejszy niż moment wiązania C = O w cząsteczce COS.

Elektroujemność

Elektroujemność w skali Paulinga ma wartości między 0, 65 (dla fransów) i 4, 0 (dla fluoru). Ogólnie, halogeny mają wysoką elektroujemność.

Gdy różnica elektroujemności pierwiastków tworzących wiązanie kowalencyjne jest mniejsza lub równa 0, 4, mówi się, że jest niepolarna lub niepolarna. Jednakże jedynymi prawdziwie niepolarnymi cząsteczkami są cząsteczki utworzone przez połączenia między identycznymi atomami (takimi jak wodór, HH).

Siły międzycząsteczkowe

Aby substancja rozpuszczała się w wodzie, musi oddziaływać elektrostatycznie z cząsteczkami; interakcje, których molekuły niepolarne nie mogą wykonać.

W molekułach apolarnych ich ładunki elektryczne nie są ograniczone na jednym końcu cząsteczki, ale są rozmieszczone symetrycznie (lub jednorodnie). Dlatego nie jest w stanie oddziaływać poprzez siły dipol-dipol.

Natomiast cząsteczki niepolarne oddziałują ze sobą poprzez siły dyspersyjne Londynu; są to natychmiastowe dipole, które polaryzują chmurę elektronową atomów sąsiednich cząsteczek. Tutaj masa cząsteczkowa jest dominującym czynnikiem we właściwościach fizycznych tych cząsteczek.

Jak je zidentyfikować?

- Być może jedną z najlepszych metod identyfikacji apolarnej cząsteczki jest jej rozpuszczalność w różnych polarnych rozpuszczalnikach, która jest na ogół mało rozpuszczalna w nich.

- Ogólnie rzecz biorąc, molekuły apolarne mają charakter gazowy. Mogą także tworzyć niemieszalne ciecze z wodą.

- Ciało stałe apolarne charakteryzuje się miękkością.

- Siły dyspersji, które je trzymają, są na ogół słabe. Z tego powodu ich temperatury topnienia lub wrzenia wydają się być niższe niż w przypadku związków o polarnym charakterze.

- Cząsteczki niepolarne, zwłaszcza w postaci płynnej, są słabymi przewodnikami elektryczności, ponieważ nie mają ładunku elektrycznego netto.

Przykłady

Gazy szlachetne

Chociaż nie są to cząsteczki, gazy szlachetne są uważane za niepolarne. Zakładając, że przez dwa krótkie okresy czasu dwa jego atomy oddziałują wzajemnie, He-He, to oddziaływanie można uznać za (połowę) jako cząsteczkę; cząsteczka, która byłaby niepolarna w naturze.

Cząsteczki okrzemkowe

Cząsteczki okrzemkowe, takie jak H2, Br2, I2, Cl2, O2 i F2, są apolarne. Mają one ogólny wzór A 2, AA.

Węglowodory

A gdyby A było grupą atomów? Byłoby to przed innymi związkami niepolarnymi; na przykład etan, CH3-CH3, którego szkielet węglowy jest liniowy, CC.

Metan, CH 4 i etan, C 2 H 6, są molekułami niepolarnymi. Węgiel ma elektroujemność 2, 55; podczas gdy elektroujemność wodoru wynosi 2, 2. Dlatego też istnieje wektor dipolowy o niskiej intensywności, zorientowany od wodoru do węgla.

Ale ze względu na geometryczną symetrię cząsteczek metanu i etanu suma wektorów dipolowych lub momentów dipolowych w ich cząsteczkach wynosi zero, więc nie ma ładunku netto na cząsteczkach.

Zasadniczo to samo dzieje się ze wszystkimi węglowodorami, a nawet gdy występują w nich nienasycenia (wiązania podwójne i potrójne), są one uważane za związki niepolarne lub o niskiej polarności. Cykliczne węglowodory są również cząsteczkami niepolarnymi, takimi jak cykloheksan lub cyklobutan.

Inni

Cząsteczki dwutlenku węgla (CO 2 ) i dwusiarczku węgla (CS 2 ) są molekułami niepolarnymi, obie o geometrii liniowej.

W dwusiarczku węgla elektroujemność węgla wynosi 2, 55, podczas gdy elektroujemność siarki wynosi 2, 58; aby oba elementy miały praktycznie taką samą elektroujemność. Nie ma generacji wektora dipolowego i dlatego ładunek netto wynosi zero.

Ponadto mamy następujące cząsteczki CCl 4 i AlBr 3, oba niepolarne:

W tribromku glinu AlBr 3 występuje tak samo jak w przypadku BF 3, na początku artykułu. Tymczasem dla czterochlorku węgla, CCl4, geometria jest czworościenna i symetryczna, ponieważ wszystkie wiązania C-Cl są równe.

Podobnie, cząsteczki o wzorze ogólnym CX4 (CF4, CI4 i CBr 4 ) są również niepolarne.

I wreszcie, molekuła apolarna może mieć nawet geometrię oktaedryczną, jak w przypadku sześciofluorku siarki, SF6. W rzeczywistości może mieć dowolną geometrię lub strukturę, o ile jest symetryczny, a jego dystrybucja elektroniczna jest jednorodna.