Γιατί το νερό είναι πολικό μόριο;
Νερό (H2 Ο) είναι ένα πολικό μόριο και ένας πολικός διαλύτης. Τι σημαίνει αυτό? Όταν ένα μόριο είναι πολικό, σημαίνει ότι τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά του φορτία είναι άνισα κατανεμημένα, επομένως μέρος του μορίου είναι μερικώς θετικό, ενώ μέρος είναι μερικώς αρνητικό. Στα διαγράμματα, το πεζό γράμμα δέλτα (δ) δείχνει την κατανομή φορτίου σε ένα πολικό μόριο.
Το θετικό φορτίο προέρχεται από τα πρωτόνια του ατομικού πυρήνα, ενώ τα αρνητικά από τα ηλεκτρόνια. Κάθε άτομο υδρογόνου σε ένα μόριο νερού έχει ένα ηλεκτρόνιο που περνά τον περισσότερο χρόνο του μεταξύ του πυρήνα του υδρογόνου και του οξυγόνου, αφήνοντας τον πυρήνα του υδρογόνου πιο εκτεθειμένο από ό,τι αν το ηλεκτρόνιο δεν ήταν μέρος ενός χημικού δεσμού. Τα άτομα υδρογόνου φέρουν μερικό θετικό φορτίο. Εν τω μεταξύ, το άτομο οξυγόνου έχει δύο αδέσμευτα ζεύγη ηλεκτρονίων που είναι όσο το δυνατόν πιο μακριά το ένα από το άλλο και τους χημικούς δεσμούς, δίνοντας στο άτομο οξυγόνου ένα μερικό αρνητικό φορτίο.
Για να κατανοήσετε γιατί ένα μόριο νερού είναι πολικό, ενώ τα παρόμοια μόρια (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα ή CO2 ) δεν είναι πολικές, πρέπει να κατανοήσετε τους ρόλους της ηλεκτραρνητικότητας και της μοριακής γεωμετρίας στην πολικότητα.
Ηλεκτραρνητικότητα και πολικότητα του νερού
Τα άτομα με διαφορετικές τιμές ηλεκτραρνητικότητας σχηματίζουν πολικούς δεσμούς. Εάν η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας είναι αρκετά μεγάλη (π.χ. μεταξύ ενός μετάλλου και ενός μη μετάλλου), σχηματίζεται ένας εξαιρετικά πολικός ιοντικός δεσμός. Μικρές διαφορές μεταξύ των ατόμων (π.χ. δύο διαφορετικά αμέταλλα) οδηγούν σε σχηματισμό πολικού ομοιοπολικού δεσμού. Τα ηλεκτρόνια που συμμετέχουν σε έναν πολικό ομοιοπολικό δεσμό περνούν περισσότερο χρόνο πιο κοντά στο ένα άτομο από το άλλο, οδηγώντας σε μερικά θετικά και αρνητικά φορτία γύρω από τα άτομα. Έτσι, ένα μόριο όπως το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) είναι πολικό. Το άτομο άνθρακα έχει μερικό θετικό φορτίο, ενώ το άτομο οξυγόνου έχει μερικό αρνητικό φορτίο.
Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα του νερού
Όμως, η μοριακή γεωμετρία παίζει επίσης ρόλο στην πολικότητα των μορίων. Αν και οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ άνθρακα και οξυγόνου είναι πολικοί στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2 ), το μόριο είναι δεν πολικός. Αυτό συμβαίνει επειδή το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα γραμμικό μόριο και τα μερικώς θετικά και αρνητικά φορτία ουσιαστικά αλληλοεξουδετερώνονται. Με άλλα λόγια, η καθαρή διπολική ροπή του είναι μηδέν.
Σε αντίθεση με το διοξείδιο του άνθρακα, το νερό δεν είναι γραμμικό μόριο. Το νερό έχει λυγισμένη γεωμετρία, με 104,5°. Το λυγισμένο σχήμα σημαίνει ότι τα θετικά και τα αρνητικά φορτία δεν κατανέμονται ομοιόμορφα και δεν αλληλοεξουδετερώνονται. Το νερό έχει καθαρή διπολική ροπή.
Ο λόγος που το νερό έχει λυγισμένη γεωμετρία είναι επειδή το άτομο οξυγόνου έχει δύο μόνα ζεύγη ηλεκτρονίων. Η ηλεκτρονική δομή του οξυγόνου είναι 1s 2s 2p. Κάθε άτομο υδρογόνου συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο για να γεμίσει το κέλυφος σθένους και να δώσει οξυγόνο 1s 2s 2p6, αλλά αυτό σημαίνει ότι τέσσερα από τα ηλεκτρόνια (2 ζεύγη) στο κέλυφος 2p δεν συμμετέχουν σε έναν χημικό δεσμό. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων έχουν το ίδιο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, άρα απωθούν το ένα το άλλο. Απωθούνται επίσης από τους χημικούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου, αλλά όχι με την ίδια ποσότητα. Ταυτόχρονα, τα άτομα υδρογόνου απωθούνται μεταξύ τους. Η πράξη εξισορρόπησης μεταξύ της απώθησης οδηγεί σε τετραεδρική γεωμετρία. Όμως, τα ζεύγη ηλεκτρονίων είναι ένα αόρατο συστατικό της γεωμετρίας, επομένως αυτό που βλέπουμε είναι ένα λυγισμένο μόριο.
Γιατί το νερό είναι πολικός διαλύτης
Το σχήμα και η πολικότητα του μορίου του νερού επηρεάζει την αλληλεπίδρασή του με άλλα μόρια νερού και με άλλες ενώσεις. Ο λόγος που το νερό είναι πολικός διαλύτης είναι επειδή έλκει είτε θετικό είτε αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο μιας διαλυμένης ουσίας. Το μερικό αρνητικό φορτίο του ατόμου οξυγόνου προσελκύει άτομα υδρογόνου από άλλα μόρια νερού και θετικές περιοχές από άλλα μόρια. Εν τω μεταξύ, το μερικό θετικό φορτίο του υδρογόνου προσελκύει άτομα οξυγόνου από άλλα μόρια νερού και αρνητικές περιοχές άλλων μορίων.
Η έλξη μεταξύ ατόμων οξυγόνου και υδρογόνου γειτονικών μορίων νερού οδηγεί στο σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου δεν είναι τόσο ισχυροί όσο οι ομοιοπολικοί δεσμοί και δεν συμμετέχουν σε αυτούς όλα τα μόρια νερού σε ένα δείγμα. Σε κάθε δεδομένη στιγμή, περίπου το 20% των μορίων του νερού είναι ελεύθερα να αλληλεπιδράσουν με άλλα χημικά είδη. Αυτή η αλληλεπίδραση ονομάζεται διάλυση ή ενυδάτωση. Είναι μια βασική ιδιότητα του νερού που δίνει στο νερό το όνομα «καθολικός διαλύτης». Ενώ το νερό διαλύει περισσότερες ουσίες από οποιονδήποτε άλλο διαλύτη, δεν είναι πραγματικά «καθολικό» επειδή διαλύει μόνο πολικές διαλυμένες ουσίες.
Θυμηθείτε, αν και το νερό είναι πολικό, είναι επίσης ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα μερικώς θετικά και αρνητικά φορτία μπορεί να διαχωρίζονται άνισα, αλλά εξακολουθούν να αλληλοεξουδετερώνονται. Κάθε μόριο νερού περιέχει 10 πρωτόνια και 10 νετρόνια, αλλά καθαρό φορτίο 0.
Αναφορές
- Huheey, J.E.; Keiter, Ε.Α.; Keiter, R.L. (1993). Ανόργανη χημεία:Αρχές δομής και αντιδραστικότητας (4η έκδ.). HarperCollins, Νέα Υόρκη.
- Jensen, William B. (2009). «Η προέλευση του συμβόλου «Δέλτα» για κλασματικά φορτία». J. Chem. Εκπαιδεύω . 86 (5):545. doi:10.1021/ed086p545
- Pauling, L. (1960). Η φύση του χημικού δεσμού (3η έκδ.). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
