Просмотр кода страницы Полярность химических связей

'''Полярность химических связей''' — характеристика [[Химическая связь|химической связи]] (как правило, [[ковалентная связь|ковалентной]]), показывающая изменение распределения [[электронная плотность|электронной плотности]] в пространстве вокруг ядер в сравнении с распределением электронной плотности в образующих данную связь нейтральных [[атом]]ах.

Можно количественно оценить полярность связи в молекуле. Трудность точной количественной оценки состоит в том, что полярность связи зависит от нескольких факторов: от размеров [[Атомный радиус|атомов]] и [[Ионный радиус|ионов]] соединяющихся молекул; от числа и характера [[Химическая связь|связи]] уже имевшихся у соединяющихся атомов до их данного взаимодействия; от типа [[Структурная изомерия|структуры]] и даже особенностей [[Дефекты кристалла|дефектов]] их [[Кристаллическая решётка|кристаллических решёток]]. Такого рода расчёты производятся различными методами, которые в общем-то дают примерно одинаковые результаты (величины). Например, для [[Хлороводород|HCl]] установлено, что на каждом из атомов в этой молекуле имеется заряд, равный 0,17 [[Заряд электрона|заряда целого электрона]]. На водородном атоме +0,17, а на атоме хлора −0,17.

В качестве количественной меры полярности связи чаще всего используются так называемые эффективные заряды на атомах.

Эффективный заряд определяется как разность между зарядом электронов, находящимся в некоторой области пространства вблизи ядра, и зарядом ядра. Однако эта мера имеет лишь условный и приблизительный [относительный] смысл, поскольку невозможно однозначно выделить в молекуле область, относящуюся исключительно к отдельному атому, а при нескольких связях — к конкретной связи.

Наличие эффективного заряда может быть указано символами зарядов у атомов (например, Н{{sup|δ+}} — Cl{{sup|δ−}}, где δ — некоторая доля элементарного заряда) <math> \stackrel{-}{\mbox{O}} = \stackrel{2+}{\mbox{C}} = \stackrel{-}{\mbox{O}} </math> (O{{sup|δ−}}=C{{sup|2δ+}}=O{{sup|δ−}}), H{{sup|δ+}}—O{{sup|2δ−}}—H{{sup|δ+}}.

Практически все химические связи, за исключением связей в двухатомных гомоядерных молекулах — в той или иной степени полярны. [[Ковалентные связи]] обычно слабо полярны.
[[Ионная связь|Ионные связи]] — сильно полярны.

== Эффективный заряд ==
[[Рентгеноспектральный анализ|Анализ рентгеновского спектра]] позволяет определять эффективные заряды атомов, а следовательно, и тип химической связи в соединениях. Для этого сравнивают расположение линий рентгеновского спектра свободных атомов и их соединений. Если атом в соединении имеет соответствующий эффективный заряд δ, то линии спектра оказываются смещенными по сравнению со спектрами свободного атома. По величине смещения [[Спектральная линия|спектральных линий]] соответствующими методами расчёта определяют δ.

Значения δ, определяемые разными методами, существенно различаются. Приводимые здесь значения δ интересуют нас с точки зрения ''иллюстрации общей тенденции их изменения'' в ряду однотипных соединений.

{| class="standard sortable"
|-
!colspan="6"|Эффективные заряды [[Кислород|O]] оксидов элементов 2-го, 3-го [[Период периодической системы|периода]] и I-й [[Группа периодической системы|группы]] {{abbr|ПСХЭ|Периодическая система химических элементов|2}}
|-
! [[Оксид]] || Заряд || Оксид || Заряд || [[Оксид]] || Заряд
|-
| Li{{sub|2}}O || 0.80− || Na{{sub|2}}O || 0.81− || Li{{sub|2}}O || 0.80−
|-
| BeO || 0.35− || MgO || 0.42− || Na{{sub|2}}O || 0.81−
|-
| B{{sub|2}}O{{sub|3}} || 0.24− || Al{{sub|2}}O{{sub|3}} || 0.31− || K{{sub|2}}O || 0.89−
|-
| CO{{sub|2}} || 0.11− || SiO{{sub|2}} || 0.23− || Rb{{sub|2}}O || 0.92−
|-
| N{{sub|2}}O{{sub|5}} || 0.05− || P{{sub|2}}O{{sub|5}} || 0.13− || Cs{{sub|2}}O || 0.96−
|-
| [[Озон|OO{{sub|2}}]] || || SO{{sub|3}} || 0.06− || ||
|-
| OF{{sub|2}} || || Cl{{sub|2}}O{{sub|7}} || 0.02− (0,01−) || ||
|}

{| class="standard sortable"
|-
!colspan="6"|Эффективные заряды δ атомов некоторых соединений
|-
! [[Химическое соединение|Вещество]] || Атом и его степень окисления || Заряд δ || Химическое соединение || Атом и его степень окисления || δ
|-
| HF || H (I) || 0.40+ || [[Гексакарбонил хрома|Cr[(CO){{sub|6}}]]] || Cr (0) || 0.4+
|-
| HCl || H (I) || 0.18+ || CrCl{{sub|2}} || Cr (II) || 1.9+
|-
| NaF || Na (I) || 0.98+ || CrCl{{sub|3}} || Cr (III) || 1.2+
|-
| NaCl || Na (I) || 0.92+ || [Cr(NH{{sub|3}}){{sub|6}}]Cl{{sub|3}} || Cr (III) || 1.2+
|-
| NaBr || Na (I) || 0.83+ || K{{sub|2}}CrO{{sub|4}} || Cr (VI) || 0.2+
|-
| NaI || Na (I) || 0.75+ || K{{sub|2}}Cr{{sub|2}}O{{sub|7}} || Cr (VI) || 0.1+
|-
| MgCl{{sub|2}} || Mg (II) || 1.50+ || KMnO{{sub|4}} || Mn (VII) || 0.3+
|-
| MgBr{{sub|2}} || Mg (II) || 1.38+ || CaSO{{sub|4}} || S (VI) || 0.4+
|-
| MgO || Mg (II) || 1.01+ || KClO{{sub|3}} || Cl (V) || 0.7+
|-
| MgS || Mg (II) || 1.05+ || [[Гексацианоферрат(III) калия|K{{sub|3}}[Fe(CN){{sub|6}}]]] || Fe (III) || 1.0+
|-
| SiO{{sub|2}} || Si (IV) || 1.97+ || OsO{{sub|2}} || Os (IV) || 0.8+
|-
| SiS{{sub|2}} || Si (IV) || 1.69+ || K{{sub|2}}[OsO{{sub|4}}] || Os (VI) || 0.8+
|-
| Co(NO{{sub|3}}){{sub|2}} || Co (II) || 1.20+ || K[OsO{{sub|3}}N] || Os (VIII) || 1.0+
|-
| <math> \stackrel{ }{\mbox{K}} [\stackrel{+1}{\mbox{I}} \stackrel{-1}{\mbox{I}}_{2}] </math> || I (−1), периферийный || 0,5− || [[Диборан|B{{sub|2}}H{{sub|6}}]] || B (III) || 0.22+
|-
| <math> \stackrel{ }{\mbox{K}} [\stackrel{+1}{\mbox{I}} \stackrel{-1}{\mbox{Cl}}_{2}] </math> || Cl (−1) || 0,55− || B{{sub|2}}H{{sub|6}} || H (I), мостиковый || 0,22−
|-
| <math> \stackrel{ }{\mbox{K}} [\stackrel{+1}{\mbox{I}} \stackrel{-1}{\mbox{Cl}}_{2}] </math> || ''[[Дихлороиодат(I) калия|I (+1), центральный]]'' || 0,11+ || [[Фторид ксенона(II)|XeF{{sub|2}}]] || F (I) || 0.5−
|-
| [[Цианид водорода|[•C≡N:]{{sup|−}}]] || colspan="2" | <math> \stackrel{0.04+}{\mbox{H}} - \stackrel{0.17+}{\mbox{C}} = \stackrel{0.21-}{\mbox{N}} </math> || [[Изоцианиды|[•N≡C:]{{sup|−}}]] / <math> :\stackrel{-}{\mbox{C}} = \stackrel{+}{\mbox{N}} </math> •<ref>Здесь знаками обозначены формальные заряды, то есть целочисленные значения −1 и +1 (см. [[Формальный заряд]]).</ref> || colspan="2" | <math> \stackrel{0.04+}{\mbox{H}} - \stackrel{0.75+}{\mbox{N}} = \stackrel{0.79-}{\mbox{C}} </math>
|}

Как видно из таблицы, степень окисления элемента в соединении по значению не совпадает с результирующим [эффективным] зарядом на атоме. Об этом же говорит исследование энергии связи 1s-электрона азота в зависимости от эффективного заряда на атоме. Так, при степени окисления азота +5 в NaNO{{sub|3}} атом азота имеет эффективный заряд всего 0,4+

(<math> \stackrel{ }{\mbox{K}} \stackrel{+4}{\mbox{C}} \stackrel{-3}{\mbox{N}} \stackrel{ }{\mbox{O}} </math> = 0.6−;
<math> \stackrel{ }{\mbox{Na}} \stackrel{-1/3}{\mbox{N}}_{3} </math> <math> (\stackrel{ }{\mbox{Na}} [\stackrel{-3}{\mbox{N}} = \stackrel{+5}{\mbox{N}} = \stackrel{-3}{\mbox{N}}]) </math> = [[Азид натрия|0.55−]];
<math> \stackrel{ }{\mbox{K}} \stackrel{+2}{\mbox{C}} \stackrel{-3}{\mbox{N}} </math> = 0.5−;
<math> [\stackrel{-1}{\mbox{N}} \stackrel{ }{\mbox{H}}_{3} \stackrel{ }{\mbox{O}} \stackrel{ }{\mbox{H}}] \stackrel{ }{\mbox{Cl}} </math> = [[Хлорид гидроксиламиния|0.3−]];
<math> \stackrel{-1}{\mbox{N}} \stackrel{ }{\mbox{H}}_{4} \stackrel{ }{\mbox{N}} \stackrel{ }{\mbox{O}}_{3} </math> = 0.05+;
<math> [\stackrel{-2}{\mbox{N}}_{2} \stackrel{ }{\mbox{H}}_{6}] \stackrel{ }{\mbox{S}} \stackrel{ }{\mbox{O}}_{4} </math> = [[Сульфат гидразония|0.1+]];
<math> \stackrel{ }{\mbox{Na}} \stackrel{+3 }{\mbox{N}} \stackrel{ }{\mbox{O}}_{2} </math> = 0.15+;). При степени окисления [[Железо|железа]] 0 и +2 в соединениях [[Пентакарбонилжелезо|Fe(CO){{sub|5}}]] и Fe(C{{sub|6}}H{{sub|5}}){{sub|2}} эффективный заряд на атоме железа в этих соединениях близок к 1+

((δ) <math> \stackrel{+2}{\mbox{Fe}} \stackrel{-1}{\mbox{S}}_{2} </math> = 0.5+;
<math> \stackrel{ }{\mbox{K}}_{4} [\stackrel{+2}{\mbox{Fe}} (\stackrel{ }{\mbox{C}} \stackrel{ }{\mbox{N}})_{6} </math> = 0.9+;
<math> \stackrel{ }{\mbox{N}} \stackrel{ }{\mbox{H}}_{4} \stackrel{+3}{\mbox{Fe}} (\stackrel{ }{\mbox{S}} \stackrel{ }{\mbox{O}}_{4})_{2} </math> •[[Сульфат железа(III)-аммония|12H{{sub|2}}O]] = 1.5+;
<math> \stackrel{ }{\mbox{K}}_{2} \stackrel{+6}{\mbox{Fe}} \stackrel{ }{\mbox{O}}_{4} </math> = [[Феррат калия|1.8+]];
<math> \stackrel{ }{\mbox{K}}_{3} \stackrel{+3}{\mbox{Fe}} \stackrel{ }{\mbox{F}}_{6} </math> = 1.9+,
при общей тенденции прямо-пропорционального повышения значений [[Энергия связи|энергии связи]]).

Значения относительных эффективных зарядов, полученные различными методами ([[Оптическая спектроскопия|оптической спектроскопии]], {{abbr|ЯМР|Ядерный магнитный резонанс|2}}, также на основе [[Квантовая химия|квантовохимических]] расчетов), могут расходиться. Однако имеющиеся значения δ свидетельствуют о том, что атомы в соединениях высоких зарядов не имеют [отвечающих абсолютному [[Заряд электрона|заряду электрона]]] и чисто ионных соединений не существует.

; Мгновенные и индуцированные диполи.
[[Молекула]] представляет собой динамическую систему, в которой происходит постоянное движение электронов и колебание ядер. Поэтому распределение зарядов в ней не может быть строго постоянным. Например, молекулу Cl{{sub|2}} относят к неполярным: значение её [[Электрический дипольный момент|электрического момента диполя]] равно нулю. Однако в каждый данный момент происходит временное смещение зарядов к одному из атомов хлора: Cl{{sup|δ+}} → Cl{{sup|δ−}} или Cl{{sup|δ−}} ← Cl{{sup|δ+}} с образованием ''мгновенных микро[[Диполь (электродинамика)|диполей]]''. Поскольку подобное смещение зарядов к любому из атомов равновероятно, среднее распределение зарядов как раз и соответствует среднему нулевому значения момента диполя.

Для полярных молекул значение момента диполя в каждый данный момент времени несколько больше или несколько меньше его среднего значения. Направление и величина мгновенного диполя подвержены непрерывным колебаниям постоянного момента диполя. Таким образом, любую неполярную и полярную молекулу (и атом в ней) можно рассматривать как совокупность периодических очень быстро меняющихся по величине и направлению мгновенных микродиполей.

Под действием внешнего [[Электрическое поле|электрического поля]] молекула [[Поляризация химической связи|поляризуется]], то есть в ней происходит перераспределение зарядов, и молекула приобретает новое значение электрического момента диполя. При этом неполярные молекулы могут превратиться в полярные, а [[Полярные вещества|полярные]] становятся ещё более полярными. Иначе говоря, под действием внешнего эл. поля в молекулах индуцируется диполь, называемый ''наведённым'' или ''индуцированным''. В отличие от постоянных и мгновенных ''наведенные (индуцированные)'' диполи существуют лишь при действии внешнего электрического поля. После прекращения действия поля наведённые диполи исчезают. Полярностью и [[поляризуемость]]ю молекул обусловлено [[межмолекулярное взаимодействие]].

== Примечания ==
{{примечания}}

== См. также ==
* [[Электроотрицательность]]
* [[Полярные вещества]]

== Источники ==
* {{Из БСЭ|заглавие=Полярность химических связей}}
* ''Ахметов Н.С''. Общая и неорганическая Химия: Учеб. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1988. — стр. 84, 87-89, 141, 237, 240, 273, 293, 300, 387, 419, 426, 475, 524.

{{нет иллюстрации}}

{{Структурная химия}}
{{Химическая связь}}

[[Категория:Физическая химия]]
[[Категория:Химическая связь]]
[[Категория:Безразмерные величины в химии]]