Moment dipolowy wiązania. Moment dipolowy cząsteczki. Wiązanie wodorowe.

TEMAT 7. Moment dipolowy wiązania. Moment dipolowy cząsteczki. Wiązanie wodorowe.
Miara polarności wiązania jest jego moment dipolowy μ:
μ = e·l,
gdzie e – ładunek elektronu, l – odległość między środkami ładunków dodatniego i ujemnego.
Moment dipolowy jest wielkością wektorową. Pojęcia „moment dipolowy wiązania” i „moment dipolowy cząsteczki” pokrywają się tylko w przypadku cząsteczek dwuatomowych. Moment dipolowy cząsteczki jest równy wektorowej sumie momentów dipolowych wszystkich wiązań. Zatem moment dipolowy cząsteczki wieloatomowej zależy od jej budowy.
W cząsteczce liniowej CO₂ każde z wiązań C–O jest polarne. Jednak cała cząsteczka CO₂ jest niepolarna, ponieważ momenty dipolowe wiązań znoszą się nawzajem (rys. 5.4). Moment dipolowy cząsteczki dwutlenku węgla m = 0.
W kątowej cząsteczce H₂O polarne wiązania H–O są rozmieszczone pod kątem 104,5°. Wektorowa suma momentów dipolowych dwóch wiązań H–O jest przedstawiona jako przekątna równoległoboku (rys. 5.4). W rezultacie moment dipolowy cząsteczki wody m jest różny od zera.
Rys. 5.4. Momenty dipolowe cząsteczek CO₂ i H₂O

Przykład 1. Ustalić, które z poniższych cząsteczek: F₂, HF, BeF₂, BF₃, PF₃, CF₄ są polarne.
Rozwiązanie: Cząsteczki dwuatomowe zbudowane z identycznych atomów (F₂) są niepolarne, a z różnych (HF) – polarne. Polarność cząsteczek składających się z trzech lub więcej atomów zależy od ich budowy. Budowa cząsteczek BeF₂, BF₃, CF₄ jest wyjaśniana przy pomocy koncepcji hybrydyzacji orbitali atomowych (odpowiednio sp-, sp²- i sp³-hybrydyzacja). Geometryczna suma momentów dipolowych wiązań E–F w tych cząsteczkach jest równa zeru, dlatego są one niepolarne.

Przykład 2. Scharakteryzować wartościowość atomów tlenu i selenu.
Rozwiązanie: Konfiguracja elektronowa atomu tlenu: 1s²2s²2p⁴. Na zewnętrznej powłoce elektronowej tego atomu znajduje się sześć elektronów, z których dwa są niesparowane. Dlatego w swoich związkach tlen jest dwuwartościowy. Jest to jedyny możliwy stan wartościowości atomu tlenu, ponieważ pierwiastki drugiego okresu nie mają orbitali d.

Przykład 3. Uszeregować cząsteczki NH₃, H₂O, SiH₄, PH₃ według rosnącej długości wiązania atom wodoru–pierwiastek.
Rozwiązanie: Długość wiązania chemicznego rośnie wraz ze wzrostem promienia atomu związanego z atomem wodoru. W kolejności rosnącej długości wiązania cząsteczki ustawiają się następująco: H₂O, NH₃, PH₃, SiH₄.

Przykład 4. Uszeregować cząsteczki O₂, N₂, Cl₂, Br₂ według rosnącej energii wiązania chemicznego.
Rozwiązanie: Energia wiązania rośnie wraz ze zmniejszeniem jego długości i wzrostem krotności wiązania. Dlatego wiązanie pojedyncze w cząsteczce chloru jest silniejsze niż w cząsteczce bromu. Wiązanie podwójne występuje w cząsteczce tlenu. Jest ono silniejsze niż wiązanie pojedyncze w cząsteczce chloru, ale słabsze niż wiązanie potrójne w cząsteczce azotu. W rezultacie energia wiązania chemicznego rośnie w szeregu: Br₂, Cl₂, O₂, N₂.

Przykład 5. Ustalić typ sieci krystalicznej dla następujących substancji: grafit, cynk, chlorek cynku, stały dwutlenek węgla.
Rozwiązanie: Grafit, podobnie jak diament, ma sieć krystaliczną atomową, a cynk – sieć krystaliczną metaliczną. Chlorek cynku ma sieć krystaliczną jonową. W węzłach sieci krystalicznej stałego tlenku węgla(IV) znajdują się cząsteczki CO₂, dlatego ta substancja w stanie stałym ma sieć krystaliczną molekularną.

Określić, które z poniższych cząsteczek: CO, CO₂, C₂H₂, H₂S, PH₃, Cl₂ są niepolarne.

5.2.
Scharakteryzować wartościowość atomów fluoru i bromu.

5.3.
Uszeregować cząsteczki Cl₂, Br₂, O₂, N₂ według rosnącej długości wiązania chemicznego.

5.4.
Uszeregować cząsteczki H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te według rosnącej energii wiązania wodór–pierwiastek.

5.5.
Ustalić typ sieci krystalicznej dla następujących substancji: żelazo, krzem, jod, fluorek wapnia.