Полярность связи и дипольный момент: объяснение и бесплатная проверка
Коротко: связь полярна, когда два её атома различаются по электроотрицательности. По шкале Полинга при ΔЭО меньше 0,4 связь ковалентная неполярная, при 0,4–1,7 — ковалентная полярная, а выше 1,7 обычно ионная. Более электроотрицательный атом несёт заряд δ−. Молекула полярна, когда диполи её связей не компенсируются, а это зависит от её формы по VSEPR: H₂O (угловая) полярна, 1,85 D, CO₂ (линейная) неполярна. Бесплатная проверка полярности связей и диполей MolDraw определяет и то, и другое.
Полярность связи и электроотрицательность
Электроотрицательность (χ) — способность атома притягивать электроны связи. По шкале Полинга самая высокая она у фтора — 3,98, затем идут кислород 3,44, хлор 3,16 и азот 3,04. У углерода 2,55, у водорода 2,20.
В связи между двумя разными атомами электроны больше времени проводят у более электроотрицательного атома. Он приобретает частичный отрицательный заряд (δ−), а другой атом — частичный положительный (δ+). Такое разделение зарядов называют диполем связи.
| ΔЭО меньше 0,4 | Ковалентная неполярная. Примеры: Cl–Cl (0), C–H (0,35). |
|---|---|
| ΔЭО от 0,4 до 1,7 | Ковалентная полярная. Примеры: C–O (0,89), H–Cl (0,96), O–H (1,24). |
| ΔЭО от 1,7 до 2,0 | Пограничная область. В большинстве школьных учебников связь считают ионной выше 1,7, в некоторых — выше 2,0. H–F (1,78) — ковалентная молекула. |
| ΔЭО больше 2,0 | Ионная. Примеры: Na–Cl (2,23), K–F (3,16). |
Степень ионности можно оценить по формуле Полинга: % ионности = (1 − e^(−ΔEN²/4)) × 100. При ΔЭО = 1,7 получается около 51 % ионности — отсюда и граница 1,7.
Когда молекула полярна?
Диполи связей — векторы. Сложите их с учётом 3D-формы молекулы:
- Нарисуйте структуру Льюиса и определите форму по VSEPR.
- Нарисуйте стрелку диполя на каждой полярной связи, направив её к атому δ−.
- Сложите стрелки. Если они компенсируются, молекула неполярна. Если нет — полярна.
Простая проверка: молекула неполярна, когда у центрального атома нет неподелённых пар и все внешние атомы одинаковы (CO₂, BF₃, CCl₄, PCl₅, SF₆). Две формы с неподелёнными парами всё же симметричны и неполярны: линейная AX₂E₃ (XeF₂) и плоская квадратная AX₄E₂ (XeF₄). Неподелённые пары в других формах (NH₃, H₂O, SF₄, ClF₃) или разные внешние атомы (CHCl₃, CH₂Cl₂) дают суммарный диполь.
Как пользоваться проверкой полярности связей и диполей
- Откройте проверку полярности связей и диполей.
- В разделе Связь: два элемента выберите Элемент A и Элемент B или нажмите пример, например H–Cl, C–O или Na–Cl. Результат показывает ΔЭО, тип связи на цветовой шкале, какой атом несёт δ−, и степень ионности с расчётом. Поменять A и B меняет атомы местами.
- Перейдите в режим Молекула: полярна или нет?. Введите формулу, например
XeF4, или строку SMILES, напримерCl/C=C\Cl, и нажмите Проверить полярность или выберите пример. - Прочитайте форму, электронную геометрию, валентный угол, векторную сумму диполей связей и, если известен, измеренный дипольный момент в дебаях.
- На рисунке на каждом атоме показаны δ+ и δ−, фиолетовая стрелка на каждой полярной связи и бирюзовая стрелка суммарного диполя, если молекула полярна. Штриховые связи направлены от вас.
- Список Reasoning объясняет каждый шаг, так что логику можно перенести в ответ.
Разобранные примеры
1. Связь H–Cl
ΔЭО = 3,16 − 2,20 = 0,96, поэтому связь ковалентная полярная, Cl несёт δ−, H — δ+. % ионности = (1 − e^(−0.2304)) × 100 = 20,6 %. Дипольный момент HCl — 1,11 D.
2. Вода, H₂O
У O 2 связанных атома и 2 неподелённые пары: AX₂E₂, угловая форма, 104,5°. У каждой связи O–H ΔЭО = 1,24, O несёт δ−. Два диполя направлены частично в одну сторону, поэтому складываются. Вода полярна, 1,85 D.
3. CCl₄ и CHCl₃
Обе молекулы тетраэдрические. В CCl₄ четыре диполя C–Cl (ΔЭО 0,61) компенсируются: молекула неполярна, 0 D. В CHCl₃ один Cl заменён на H, и диполи больше не компенсируются: молекула полярна, 1,04 D.
4. SF₄ и XeF₄
SF₄ — AX₄E, форма «качелей»: диполи S–F не компенсируются, поэтому молекула полярна (0,63 D). XeF₄ — AX₄E₂, плоская квадратная, две неподелённые пары расположены друг напротив друга: диполи Xe–F компенсируются, и молекула неполярна.
5. цис- и транс-1,2-дихлорэтен
Обе молекулы плоские. В цис-изомере оба диполя C–Cl направлены в одну сторону: молекула полярна, 1,90 D. В транс-изомере они направлены в противоположные стороны и компенсируются: молекула неполярна, 0 D. Поэтому цис-изомер кипит при более высокой температуре (60 °C), чем транс-изомер (48 °C).
Сводная таблица
| H₂O | Угловая (AX₂E₂): полярна, 1,85 D |
|---|---|
| NH₃ | Тригональная пирамида (AX₃E): полярна, 1,47 D |
| CO₂ | Линейная (AX₂): неполярна, 0 D |
| BF₃ | Плоская треугольная (AX₃): неполярна |
| CCl₄ | Тетраэдр, одинаковые атомы: неполярна |
| CHCl₃, CH₂Cl₂ | Тетраэдр, разные атомы: полярны, 1,04 D и 1,60 D |
| SO₂ | Угловая (AX₂E): полярна, 1,63 D |
| SF₄ | «Качели» (AX₄E): полярна, 0,63 D |
| XeF₄ | Плоская квадратная (AX₄E₂): неполярна |
| PCl₅ | Тригональная бипирамида (AX₅): неполярна |
Частые ошибки
- Считать, что полярные связи всегда дают полярную молекулу. Симметрия может их компенсировать.
- Судить о форме по плоскому рисунку. CH₂Cl₂, нарисованный плоским крестом, выглядит симметричным, но он тетраэдрический и полярный.
- Забывать о неподелённых парах центрального атома, которые меняют форму.
- Направлять стрелку диполя к атому δ+.
- Считать 0,4 и 1,7 резкими границами. Характер связи меняется с ΔЭО плавно.
- Называть ионным любое соединение с ΔЭО выше 1,7. H–F — ковалентная молекула; связи между двумя неметаллами остаются ковалентными.
Советы к экзаменам (ЕГЭ, JEE, NEET, AP, A-level)
- Всегда сначала называйте форму, а затем — компенсируются ли диполи.
- На JEE и NEET часто просят расположить молекулы по дипольному моменту, например NH₃ (1,47 D) > NF₃ (0,24 D): в NH₃ неподелённая пара и диполи связей направлены в одну сторону, в NF₃ — в противоположные.
- AP Chemistry связывает полярность с межмолекулярными силами: у полярных молекул есть диполь-дипольное взаимодействие и обычно более высокие температуры кипения.
- В ответах A-level о цис/транс-изомерах стоит упомянуть, что транс-изомер неполярен, потому что диполи C–Cl компенсируются.
- Указывайте ΔЭО с двумя знаками после запятой, используя значения Полинга из вашего справочника.
Вопросы и ответы
При какой разности электроотрицательностей связь становится полярной?
По шкале Полинга при разности 0,4 и больше связь ковалентная полярная. Ниже 0,4 связь считают неполярной. Выше примерно 1,7 связь обычно называют ионной, хотя в некоторых учебниках граница — 2,0.
Что такое дипольный момент?
Дипольный момент показывает, насколько разнесены центры положительного и отрицательного зарядов молекулы. Он равен произведению заряда на расстояние и выражается в дебаях (D). У воды 1,85 D, у CO2 — 0 D.
Куда направлена стрелка диполя?
В химии стрелка направлена к более электроотрицательному атому, к концу δ−, а на конце δ+ у неё маленький крестик. В физике вектор дипольного момента направляют наоборот.
Может ли молекула с полярными связями быть неполярной?
Да. Если диполи связей расположены симметрично, они компенсируют друг друга. CO2 (линейная), BF3 (плоская треугольная), CCl4 (тетраэдрическая), PCl5 и SF6 содержат полярные связи, но не имеют суммарного диполя.
Почему NH3 полярна, а BF3 неполярна?
У NH3 на атоме N есть неподелённая пара, из-за которой молекула имеет форму тригональной пирамиды, и диполи N–H не компенсируются. У BF3 на атоме B неподелённой пары нет, молекула плоская треугольная, и три диполя B–F компенсируют друг друга.
Почему SO2 полярна, а CO2 неполярна?
У SO2 на сере есть неподелённая пара, и молекула угловая (около 119°), поэтому диполи S=O складываются в 1,63 D. У CO2 на углероде неподелённой пары нет, молекула линейная, и два диполя C=O компенсируют друг друга.
Какова степень ионности HCl?
По формуле Полинга при ΔЭО = 0,96: % ионности = (1 − e^(−0.96²/4)) × 100 = (1 − e^(−0.23)) × 100 = 20,6 %. По измеренному дипольному моменту HCl ионна примерно на 18 %, так что оценка близка.