Polarność cząsteczek i właściwości substancji

Polarność cząsteczki oznacza nierównomierny rozkład ładunku elektrycznego. W cząsteczce polarnej wyróżnia się obszar o częściowym ładunku dodatnim i obszar o częściowym ładunku ujemnym. Taka cząsteczka jest dipolem.

Punktem wyjścia jest elektroujemność, czyli zdolność atomu do przyciągania elektronów tworzących wiązanie. Gdy połączone atomy różnią się elektroujemnością, wspólna para elektronowa przesuwa się ku atomowi silniej ją przyciągającemu. Powstaje wtedy wiązanie kowalencyjne spolaryzowane: przy jednym atomie występuje δ−, a przy drugim δ+.

Jeżeli atomy mają taką samą elektroujemność, wiązanie jest kowalencyjne niespolaryzowane. Dotyczy to m.in. cząsteczek złożonych z dwóch takich samych atomów, np. tlenu, azotu lub chloru.

Nie wolno utożsamiać polarności pojedynczego wiązania z polarnością całej cząsteczki. Trzeba uwzględnić rozmieszczenie wiązań i ich wzajemny wpływ. Gdy wiązania polarne są rozmieszczone symetrycznie, ich efekty mogą się znieść. Cząsteczka nie ma wtedy trwałego dipola i jest niepolarna.

Przykładem jest dwutlenek węgla: wiązania między węglem a tlenem są polarne, ale są ułożone symetrycznie, dlatego cała cząsteczka jest niepolarna. Odmiennie jest w wodzie: jej niesymetryczna budowa powoduje, że rozkład ładunku nie zostaje zniesiony, więc woda jest polarna.

Właściwości fizyczne substancji molekularnych zależą nie tylko od wiązań wewnątrz cząsteczki, lecz także od sił działających między cząsteczkami. Wszystkie cząsteczki przyciągają się słabymi siłami van der Waalsa. Ich znaczenie jest szczególnie duże w substancjach niepolarnych i zwykle rośnie wraz z rozmiarem cząsteczek oraz liczbą elektronów.

Cząsteczki polarne mogą ponadto tworzyć oddziaływania dipol–dipol: biegun δ+ jednej cząsteczki przyciąga biegun δ− innej. Szczególnym, silnym rodzajem oddziaływania jest wiązanie wodorowe.

Wiązanie wodorowe występuje, gdy atom wodoru jest związany z fluorem, tlenem albo azotem i oddziałuje z wolną parą elektronową F, O lub N w sąsiedniej cząsteczce. Występuje m.in. między cząsteczkami wody, amoniaku i alkoholi.

Podczas parowania cząsteczki muszą pokonać siły przyciągania działające między nimi. Im silniejsze są oddziaływania międzycząsteczkowe, tym więcej energii potrzeba do rozdzielenia cząsteczek. Z tego powodu substancje o silnych oddziaływaniach mają zazwyczaj wyższe temperatury wrzenia i są mniej lotne.

Cząsteczki tworzące wiązania wodorowe często wyróżniają się szczególnie wysoką temperaturą wrzenia w porównaniu z substancjami o podobnej wielkości cząsteczek. Woda jest tego ważnym przykładem: silne przyciąganie jej cząsteczek wyjaśnia zarówno stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia, jak i duże napięcie powierzchniowe.

Przy rozpuszczaniu muszą powstać korzystne oddziaływania między cząsteczkami substancji rozpuszczanej a cząsteczkami rozpuszczalnika. Praktyczna reguła brzmi: podobne rozpuszcza się w podobnym. Substancje polarne najlepiej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, a substancje niepolarne w niepolarnych.

Woda jest rozpuszczalnikiem polarnym. Dobrze rozpuszcza wiele substancji jonowych i polarnych, ponieważ może silnie oddziaływać z ich drobinami. Natomiast oleje, tłuszcze i parafina są w większości niepolarne, dlatego nie mieszają się z wodą i tworzą oddzielne warstwy.

Substancje niepolarne, takie jak składniki benzyny, mogą natomiast rozpuszczać tłuszcze. W obu przypadkach istotną rolę odgrywają siły van der Waalsa.

W zadaniach najpierw rozpoznaj, czy wiązania są spolaryzowane, porównując elektroujemności połączonych atomów. Następnie oceń, czy układ wiązań jest symetryczny. Dopiero wtedy wnioskuj o polarności całej cząsteczki.

Jeśli zadanie dotyczy temperatury wrzenia, topnienia lub lotności, porównaj rodzaj i siłę oddziaływań: siły van der Waalsa, oddziaływania dipol–dipol oraz wiązania wodorowe. Przy zbliżonych rozmiarach cząsteczek obecność silniejszych oddziaływań zwykle prowadzi do wyższej temperatury wrzenia.

W pytaniach o rozpuszczalność wskaż charakter substancji i rozpuszczalnika. Uzasadnienie powinno odwoływać się do możliwości tworzenia oddziaływań, a nie tylko do zapamiętanego faktu, że dwie ciecze „się mieszają” albo „się nie mieszają”.