Dipolmoment, molekylpoläritet och vätebindningar: Strukturens roll i molekylers egenskaper

TEMA 7. Bindningsdipolmoment. Molekylens dipolmoment. Vätebindning.
Ett mått på bindningens polaritet är dess dipolmoment μ:
μ = e · l,
där e är elementarladdningen (elektronens laddning) och l är avståndet mellan centrum för den positiva och negativa laddningen.
Dipolmomentet är en vektoriell storhet. Begreppen "bindningens dipolmoment" och "molekylens dipolmoment" sammanfaller endast för tvåatomiga molekyler. Molekylens dipolmoment är lika med den vektoriella summan av alla bindningars dipolmoment. Således beror dipolmomentet för en fleratomig molekyl på dess struktur.
I den linjära molekylen CO₂ är till exempel varje C–O-bindning polär. Men hela CO₂-molekylen är opolär eftersom bindningarnas dipolmoment tar ut varandra (figur 5.4). Dipolmomentet för koldioxidmolekylen μ = 0.
I den vinklade molekylen H₂O är de polära H–O-bindningarna placerade med en vinkel på 104,5°. Den vektoriella summan av de två H–O-bindningarnas dipolmoment motsvarar parallellogrammens diagonal (figur 5.4). Resultatet är att vattenmolekylens dipolmoment μ ≠ 0.
Figur 5.4. Dipolmoment för CO₂- och H₂O-molekyler

Exempel 1. Fastställ vilka av följande molekyler F₂, HF, BeF₂, BF₃, PF₃, CF₄ som är polära.
Lösning: Tvåatomiga molekyler bildade av identiska atomer (F₂) är opolära, medan molekyler med olika atomer (HF) är polära. Polariteten hos molekyler med tre eller fler atomer beror på deras struktur. Strukturen hos molekylerna BeF₂, BF₃ och CF₄ förklaras med hjälp av hybridiseringsteorier för atomorbitaler (sp-, sp²- och sp³-hybridisering respektive). Den geometriska summan av dipolmomenten för E–F-bindningarna i dessa molekyler är noll, därför är de opolära.

Exempel 2. Beskriv valensmöjligheterna för syre- och selenatomer.
Lösning: Elektronkonfigurationen för en syreatom är 1s²2s²2p⁴. I dess yttersta elektronskal finns totalt sex elektroner, varav två är oparade. Därför är syre tvåvärdigt i sina föreningar. Detta är det enda möjliga valenstillståndet för syreatomen, eftersom grundämnen i andra perioden saknar d-orbitaler.

Exempel 3. Ordna molekylerna NH₃, H₂O, SiH₄, PH₃ i stigande ordning av bindningslängden mellan grundämne och väte.
Lösning: Bindningslängden ökar med ökande atomradie för det grundämne som är bundet till väteatomen. Den stigande ordningen av bindningslängd är: H₂O, NH₃, PH₃, SiH₄.

Exempel 4. Ordna molekylerna O₂, N₂, Cl₂, Br₂ i stigande ordning av bindningsenergi.
Lösning: Bindningsenergin ökar med minskande bindningslängd och ökad bindningsmångfald. Därför är enkelbindningen i Cl₂ starkare än i Br₂. En dubbelbindning finns i O₂, vilken är starkare än enkelbindningen i Cl₂ men svagare än trippelbindningen i N₂. Resultatet blir att bindningsenergin ökar i följande ordning: Br₂, Cl₂, O₂, N₂.

Exempel 5. Fastställ typen av kristallgitter i följande ämnen: grafit, zink, zinkklorid, fast koldioxid.

Fastställ vilka av följande molekyler CO, CO₂, C₂H₂, H₂S, PH₃, Cl₂ som är opolära.

5.2.
Beskriv valensmöjligheterna hos fluor- och bromatomer.

5.3.
Ordna molekylerna Cl₂, Br₂, O₂, N₂ i stigande ordning av bindningslängd.

5.4.
Ordna molekylerna H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te i stigande ordning av bindningsenergin mellan grundämne och väte.

5.5.
Fastställ typen av kristallgitter i följande ämnen: järn, kisel, jod, kalciumfluorid