Поляризация связи и дипольный момент

Электронная плотность в молекулах распределяется в зависимости от электроотрицательности (ЭО) атомов, образующих молекулу. Симметричное расположение зоны повышенной электронной плотности можно объяснить тем, что одинаковые атомы в молекуле, обладающие одной и той же электроотрицательностью, в равной степени действуют на электронную плотность и она располагается симметрично относительно ядер двух атомов. Атомы, имеющие разные значения электроотрицательности, различно влияют на электронную плотность, и при этом она смещается из симметричного положения ближе к тому атому, у которого ЭО больше.

Смещение электронной плотности к атому с большей ЭО получило название поляризации.

Молекулы, образованные атомами, имеющими одинаковую ЭО, являются электросимметричными, т.е. у них “центры тяжестей” положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такие молекулы получили название ковалентных неполярных (например, H₂, Cl₂),а связь вних называется ковалентной неполярной связью.

Молекулы, в которых имеет место поляризация, характеризуются электрической асимметрией, у таких молекул “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

По этой причине распределение электронной плотности вдоль связи асимметрично, а следовательно, атом более электроотрицательного элемента приобретает отрицательный эффективный заряд (обозначение ), а атом-партнер –положительный эффективный заряд (обозначение ).

Ковалентные связи между атомами, несущими некоторый эффективный заряд, называются полярными ковалентными связями, а молекулы - ковалентно-полярными.

Пример. В молекуле HCl распределение электронной плотности вдоль связи H – Cl таково, что электрический “центр тяжести” отрицательного заряда смещен к атому Cl, а “центр тяжести” положительного заряда – к атому Н. В результате на атомах хлора и водорода возникают эффективные заряды Н - Cl .

Полярные молекулыявляются диполями, т.е. системами, состоящими из двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором расстоянии один от другого. Полярной является молекула воды Н₂О.

Расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов называется длиной диполя . Полярность молекулы характерзуется величиной ее дипольного момента , который равен векторной сумме дипольных моментов связей, имеющихся в молекуле. Дипольный момент связи равен произведение длины диполя на величину электрического заряда :

.

Длина диполя имеет значение порядка диаметра атома, т.е. 10^{-8 см, а величина заряда электрона 1,6 • 10-19} Кл. Дипольный момент выражают в дебаях и обозначают буквой D. В системе единиц СИ дипольный момент измеряется в кулон - метрах (Кл∙м):

1D = 3,3∙10^-30 Кл·м.

Например, в ряду галогеноводородов с уменьшением разности ЭО атомов, образующих молекулу, дипольный момент убывает:

HCl	HBr	HI
= 1,04	=0,79	=0,39

Дипольный момент двухатомных молекул равен дипольному моменту связи. Если связь неполярная, то и молекула неполярна.

В многоатомных молекулах дипольный момент молекулы равен векторной сумме дипольных моментов отдельных связей. Например, молекула СО₂ (О^d- = С^d+ = О^d-) - неполярна, хотя связи С = О полярны, так как О ← С → О и суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Молекула SO₂ полярна, дипольный момент = 1,61 D.

Полярность молекулы зависит не только от наличия в ней полярных связей, но и от геометрической формы молекулы. В рассмотренных примерах молекула СО₂ имеет линейное строение, а молекула SO₂ – угловое строение.