Είναι το CH4 πολικό ή μη πολικό;
Μεθάνιο (CH4 ) είναι μη πολικό ένωση υδρογονάνθρακα που αποτελείται από ένα μόνο άτομο άνθρακα και 4 άτομα υδρογόνου. Το μεθάνιο είναι μη πολικό, καθώς η διαφορά στις ηλεκτραρνητικότητα μεταξύ άνθρακα και υδρογόνου δεν είναι αρκετά μεγάλη για να σχηματίσει έναν πολωμένο χημικό δεσμό.
Το ΔEN του άνθρακα και του υδρογόνου είναι ~0,35, πολύ αδύναμο για να θεωρηθεί πραγματικός πολικός δεσμός. Καθώς το μεθάνιο είναι μη πολικό, έχει ομοιογενές ηλεκτρικό φορτίο σε όλο το μόριο.
Είναι ενδιαφέρον ότι ακόμη και αν οι δεσμοί C–H ήταν πολικοί, το μεθάνιο θα ακόμα να είναι ένα μη πολικό μόριο. Το μεθάνιο είναι ένα τετραεδρικό μόριο και έτσι είναι γεωμετρικά συμμετρικό, που σημαίνει ότι φαίνεται το ίδιο ανεξάρτητα από το πώς το περιστρέφετε. Εάν ο δεσμός C–H ήταν πολικός, η θέση αυτών των δεσμών στον τρισδιάστατο χώρο θα ακύρωνε τα μερικά φορτία από κάθε δεσμό, καθιστώντας ολόκληρο το μόριο μη πολικό. Η συμμετρία των δεσμών σημαίνει ότι κάθε διάνυσμα φορτίου ακυρώνεται από ένα άλλο διάνυσμα φορτίου, δίνοντας στο μόριο μια συνολική πολικότητα 0.
Πολικότητα με λίγα λόγια
Ένα πολικό μόριο είναι ένα μόριο που έχει μια καθαρή διαφορά στην κατανομή των ηλεκτρονίων στο μόριο. Λόγω αυτής της καθαρής διαφοράς, τα πολικά μόρια έχουν μερικά ηλεκτρικά φορτία. Το αν ένα μόριο είναι πολικό ή όχι εξαρτάται από τις ηλεκτραρνητότητες των συνδεδεμένων στοιχείων. κάθε στοιχείο έχει μια ηλεκτραρνητικότητα — ένα μέτρο του πόσο «πεινασμένο» είναι αυτό το στοιχείο για ηλεκτρόνια.
Γενικά, τα στοιχεία στα αριστερά του περιοδικού πίνακα έχουν χαμηλότερη ηλεκτραρνητικότητα ενώ τα στοιχεία στα δεξιά έχουν υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα (εκτός από τα ευγενή αέρια της ομάδας 8, τα οποία έχουν ηλεκτραρνητικότητα 0). Το φθόριο έχει την υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα και ορίζεται ότι έχει ΕΝ=4. Όλες οι άλλες ηλεκτραρνητικότητα υπολογίζονται σε σχετική κλίμακα, με το φθόριο να είναι η βασική σύγκριση.
Η πολικότητα ή ένας χημικός δεσμός καθορίζεται από τη διαφορά στις ηλεκτραρνητικότητες των συνδεδεμένων στοιχείων. Στοιχεία με πανομοιότυπες ηλεκτραρνητικότητες σχηματίζουν εντελώς μη πολικούς δεσμούς. Στοιχεία με ΔEN ≥ 2 σχηματίζουν δεσμούς που είναι εντελώς πολικοί και πιο σωστά ονομάζονται ιοντικοί δεσμοί. Έτσι, ο όρος "πολικός δεσμός" προορίζεται κυρίως για στοιχεία με ομοιοπολικό δεσμό με ΔEN=0,3–1,7.
Σε μόρια με πολικούς δεσμούς, το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο θα ασκήσει άνιση έλξη στα συστατικά στοιχεία του μορίου. Ως εκ τούτου, τα ηλεκτρόνια θα τείνουν προς το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο, δημιουργώντας μια άνιση κατανομή ηλεκτρικών φορτίων σε όλο το μόριο. Αυτή η άνιση κατανομή εκδηλώνεται ως διπολική ροπή σε όλο το μόριο, με ένα − μερικό φορτίο που εντοπίζεται στα πιο ηλεκτραρνητικά άτομα και ένα φορτίο + που εντοπίζεται στα λιγότερο ηλεκτραρνητικά άτομα. Αντίθετα, τα μη πολικά μόρια είναι μόρια που περιέχουν μη πολικούς δεσμούς ή η γεωμετρική δομή του μορίου ακυρώνει τους πολικούς δεσμούς.
Παραδείγματα πολικών/μη πολικών ενώσεων
Για ένα απλό παράδειγμα, το νερό είναι μια πολική ένωση που αποτελείται από 2 άτομα υδρογόνου και ένα μόνο άτομο οξυγόνου. Το οξυγόνο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το υδρογόνο, επομένως το άτομο οξυγόνου έλκει πιο δυνατά τα ηλεκτρόνια του μορίου. Ως αποτέλεσμα, ένα μόριο νερού έχει μερικό φορτίο, με ένα φορτισμένο άκρο που εντοπίζεται γύρω από το άτομο οξυγόνου και 2 + φορτισμένα άκρα εντοπισμένα γύρω από κάθε άτομο υδρογόνου. Η πολικότητα του νερού εξηγεί ορισμένες από τις φυσικές του ιδιότητες.
Ένα παράδειγμα μη πολικού μορίου είναι ο δισουλφίδιο του άνθρακα (CS2 ). Το δισουλφίδιο του άνθρακα αποτελείται από δύο άτομα θείου που συνδέονται διπλά με ένα μόνο άτομο άνθρακα σε γραμμική ατομική δομή. άνθρακα και θείο. Τόσο ο άνθρακας όσο και το θείο έχουν τιμές ηλεκτραρνητικότητας 2,5, επομένως έλκουν εξίσου τα ηλεκτρόνια και οποιοσδήποτε δεσμός μεταξύ τους είναι μη πολικός.
Ένα άλλο παράδειγμα μη πολικού μορίου είναι η οργανική ένωση βενζόλιο που αποτελείται από έναν δακτύλιο 6 ατόμων άνθρακα το καθένα συνδεδεμένο με ένα άτομο υδρογόνου. Το βενζόλιο είναι μη πολικό λόγω της συμμετρικής του δομής και της χαμηλής πολικότητας των δεσμών C–H. Η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ άνθρακα και υδρογόνου είναι αμελητέα και η συμμετρική γεωμετρία ενός μορίου βενζολίου διασφαλίζει ότι τυχόν μικρές διαφορές στο φορτίο θα ακυρωθούν από άλλους δεσμούς.
Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα
Ακριβώς επειδή μια ένωση έχει πολικούς δεσμούς δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ολόκληρο το μόριο θα είναι πολικό. Εξετάστε για παράδειγμα τον τετραχλωράνθρακα (CCl4 ). Ο τετραχλωράνθρακας αποτελείται από ένα μόνο άτομο άνθρακα που περιβάλλεται από 4 άτομα χλωρίου σε τετραεδρική δομή. Οι δεσμοί C–Cl είναι στην πραγματικότητα πολικοί, καθώς το χλώριο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από τον άνθρακα. Ωστόσο, ο τετραχλωράνθρακας είναι ένα μη πολικό μόριο.
Ο λόγος που ο τετραχλωράνθρακας είναι μη πολικός οφείλεται στη μοριακή του δομή. Κάθε άτομο χλωρίου βρίσκεται γύρω από το κεντρικό άτομο άνθρακα. Η ακριβής θέση κάθε πολικού δεσμού C–Cl καθιστά έτσι κάθε άτομο χλωρίου να ασκεί την ίδια έλξη στα ηλεκτρόνια του ατόμου άνθρακα, έτσι οι έλξεις των ατόμων χλωρίου αλληλοεξουδετερώνονται. Ομοίως, στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2 ), παρόλο που οι δεσμοί C–O είναι πολικοί, η γραμμική δομή του διοξειδίου του άνθρακα διασφαλίζει ότι κάθε άτομο οξυγόνου ασκεί την ίδια έλξη στο άτομο άνθρακα, άρα ολόκληρο το μόριο είναι μη πολικό. Αυτός ο κανόνας λειτουργεί και αντίστροφα. Τα μόρια που έχουν μη πολικούς δεσμούς μπορούν να εξακολουθούν να είναι πολικά μόρια εάν τα συστατικά τους άτομα είναι διατεταγμένα σε μια μη συμμετρική γεωμετρία.
Γιατί είναι CH4 Πολικό;
Το μεθάνιο είναι ένας υδρογονάνθρακας που χρησιμοποιείται πιο συχνά ως καύσιμο για πολλά πράγματα:σπίτια, σόμπες, θερμοσίφωνες, αυτοκίνητα, ρουκέτες κ.λπ. Το μεθάνιο είναι μια φυσική ένωση που σχηματίζεται τόσο από οργανικές όσο και από ανόργανες διεργασίες. Η διάσπαση του οργανικού υλικού μέσω της μικροβιακής δραστηριότητας παράγει μεθάνιο και η γεωλογική δραστηριότητα υψηλής πίεσης στον φλοιό της Γης δημιουργεί μεθάνιο μέσω αλληλεπιδράσεων νερού-πετρώματος. Το μεθάνιο είναι ένα άχρωμο και άοσμο αέριο σε θερμοκρασία δωματίου. Η χαρακτηριστική μυρωδιά του «σάπιου αυγού» που σχετίζεται με το μεθάνιο προέρχεται στην πραγματικότητα από άλλες χημικές ουσίες στο αέριο, που συνήθως προστίθενται για μέτρα ασφαλείας. Το μεθάνιο είναι πολύ εύφλεκτο και επομένως είναι ιδανικό αντιδραστήριο για αντιδράσεις καύσης.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μεθάνιο είναι μη πολικό. Η μη πολικότητα του είναι αποτέλεσμα των μη πολικών δεσμών C–H της συνολικής τετραεδρικής δομής του. Οι δεσμοί C–H έχουν ΔEN=0,35 και επομένως δεν θεωρούνται πολικοί. Επιπλέον, το μεθάνιο είναι διατεταγμένο σε μια συμμετρική τετραεδρική δομή, επομένως οποιαδήποτε από τις ελαφρές πολώσεις των δεσμών C–H ακυρώνεται από τη θέση άλλων δεσμών.
Επειδή το μεθάνιο είναι μη πολικό, είναι χρήσιμο για τη διάλυση άλλων μη πολικών ενώσεων. Στη χημεία, υπάρχει ένα αξίωμα ότι «το όμοιο διαλύει το όμοιο». Έτσι, οι πολικές ενώσεις τείνουν να διαλύουν πιο εύκολα άλλες πολικές ενώσεις και οι μη πολικές ενώσεις τείνουν να διαλύουν καλύτερα άλλες μη πολικές ενώσεις.
Πώς να πείτε εάν μια ένωση θα είναι πολική ή μη πολική
Υπάρχουν μερικά βήματα που μπορεί κανείς να κάνει για να προβλέψει εάν μια δεδομένη ένωση θα είναι πολική ή μη πολική. Πρώτον, μπορεί κανείς να κατασκευάσει μια δομή Lewis των ενώσεων. Μια δομή Lewis είναι μια οπτική αναπαράσταση της κατανομής των ηλεκτρονίων σε μια χημική ένωση. Η σκιαγράφηση μιας δομής Lewis δίνει σε κάποιον μια ιδέα για το πώς βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σε μια ένωση και δίνει σε κάποιον μια χαλαρή ιδέα της ατομικής δομής.
Στη συνέχεια, από τη δομή Lewis, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τη θεωρία VESPR για να προβλέψει την τρισδιάστατη γεωμετρία της ένωσης. Γενικά, τα μόρια τείνουν να παίρνουν σχήματα που ελαχιστοποιούν την ηλεκτροστατική απώθηση των ηλεκτρονίων τους. Για παράδειγμα, μόρια με 3 τερματικά άτομα συνδεδεμένα με ένα μόνο κεντρικό άτομο (ενώσεις της γενικής μορφής XY3 ) τείνουν να παίρνουν ένα τριγωνικό επίπεδο-ένα κεντρικό άτομο που περιβάλλεται από τρία άτομα διατεταγμένα σε ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Η θέση των τερματικών ατόμων σε ένα τρίγωνο ελαχιστοποιεί την ηλεκτροστατική απώθηση των ηλεκτρονίων σθένους στα εξωτερικά κελύφη των τερματικών ατόμων. Τριατομικές ενώσεις (ενώσεις της γενικής μορφής XY2 ) τείνουν να σχηματίζουν είτε γραμμικές δομές είτε λυγισμένες δομές, ανάλογα με την παρουσία μεμονωμένων ζευγών ηλεκτρονίων στο κεντρικό άτομο. Η τρισδιάστατη γεωμετρία των περισσότερων ενώσεων που αποτελούνται από στοιχεία κύριας ομάδας μπορεί να προβλεφθεί από τις αντίστοιχες δομές Lewis.
Μόλις καταλάβει κανείς την τρισδιάστατη γεωμετρία μιας ένωσης, μπορεί να προσδιορίσει την πολικότητα των μεμονωμένων δεσμών και να αθροίσει αυτές τις τιμές μαζί για να καθορίσει τη συνολική πολικότητα του μορίου. Όλες οι πολικές ενώσεις έχουν συμμετρικό σχήμα, αλλά δεν είναι όλες οι συμμετρικές ενώσεις πολικές. Εάν μια ένωση έχει συμμετρικό σχήμα και όλα τα τερματικά άτομα είναι όλα το ίδιο στοιχείο, είναι πιθανό να είναι μη πολική. Εάν μια ένωση έχει συμμετρικό σχήμα και τα τερματικά άτομα είναι διαφορετικά στοιχεία, είναι πιθανό να είναι πολική. Εάν μια ένωση έχει πολικούς δεσμούς και ασύμμετρη δομή, είναι πιθανό να είναι πολική. Τέλος, εάν ένα μόριο έχει μη πολικούς δεσμούς και συμμετρική δομή, είναι πιθανό να είναι μη πολικό.
Χρησιμοποιώντας αυτές τις παραπάνω οδηγίες, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την πολικότητα των περισσότερων ενώσεων που αποτελούνται από στοιχεία κύριας ομάδας. Όπως συμβαίνει με όλες τις οδηγίες, υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτούς τους κανόνες. Για παράδειγμα, οι ενώσεις που σχηματίζονται από μέταλλα μετάπτωσης της ομάδας 4-11 δεν υπακούουν στους κανόνες του κελύφους σθένους οκτάδας και η γεωμετρία τους δεν μπορεί να προβλεφθεί μόνο από τη δομή Lewis τους. Τα μέταλλα μετάπτωσης, λόγω των περίεργων διαμορφώσεων ηλεκτρονίων τους, συνήθως δεν παράγουν πολικές ενώσεις, αν και υπάρχουν λίγες. Νικελικό λανθάνιο (LaNiO3 ) είναι μια πολική μεταλλική ένωση που είναι ταυτόχρονα αγωγός και πολικό υλικό σε θερμοκρασίες δωματίου.
