Woda jest polarną cząsteczką i działa również jako polarny rozpuszczalnik. Kiedy mówi się, że dany gatunek chemiczny jest "polarny", oznacza to, że dodatnie i ujemne ładunki elektryczne są nierównomiernie rozmieszczone. Ładunek dodatni pochodzi z jądra atomowego, natomiast elektrony dostarczają ładunku ujemnego. To właśnie ruch elektronów decyduje o polaryzacji. Oto jak to działa w przypadku wody.
Dlaczego woda jest cząsteczką polarną
- Woda jest polarna, ponieważ ma wygiętą geometrię, która umieszcza dodatnio naładowane atomy wodoru po jednej stronie cząsteczki, a ujemnie naładowany atom tlenu po drugiej stronie.
- Efektem netto jest częściowy dipol, gdzie hydrogeny mają częściowy ładunek dodatni, a atom tlenu ma częściowy ładunek ujemny.
- Powodem, dla którego woda jest wygięta jest to, że atom tlenu nadal posiada dwie samotne pary elektronów po tym jak połączył się z wodorem. Elektrony te odpychają się wzajemnie, wyginając wiązanie O-H od kąta liniowego.
Biegunowość cząsteczki wody
Woda (H2O
) jest polarna z powodu wygiętego kształtu cząsteczki. Kształt ten oznacza, że większość ujemnego ładunku z tlenu po stronie cząsteczki i dodatni ładunek atomów wodoru jest po drugiej stronie cząsteczki. Jest to przykład polarnego kowalencyjnego wiązania chemicznego. Gdy do wody dodawane są rozpuszczalniki, mogą one wpływać na rozkład ładunków.Powodem, dla którego kształt cząsteczki nie jest liniowy i niepolarny (np. jakCO2
) jest różnica w elektroujemności pomiędzy wodorem a tlenem. Wartość elektroujemności wodoru wynosi 2,1, podczas gdy elektroujemność tlenu wynosi 3,5. Im mniejsza różnica między wartościami elektroujemności, tym większe prawdopodobieństwo, że atomy utworzą wiązanie kowalencyjne. Duża różnica między wartościami elektroujemności jest widoczna w przypadku wiązań jonowych. Wodór i tlen w zwykłych warunkach zachowują się jak niemetale, ale tlen jest sporo bardziej elektroujemny niż wodór, więc oba atomy tworzą kowalencyjną wiązkę chemiczną, ale jest ona polarna.Wysoce elektronegatywny atom tlenu przyciąga do siebie elektrony lub ujemny ładunek, co sprawia, że obszar wokół tlenu jest bardziej ujemny niż obszary wokół dwóch atomów wodoru. Elektrycznie dodatnie części cząsteczki (atomy wodoru) są odginane od dwóch wypełnionych orbitali tlenu. W zasadzie oba atomy wodoru są przyciągane do tej samej strony atomu tlenu, ale są tak daleko od siebie, jak to tylko możliwe, ponieważ oba atomy wodoru mają ładunek dodatni. Wygięta konformacja jest równowagą pomiędzy przyciąganiem i odpychaniem.
Pamiętaj, że mimo iż wiązanie kowalencyjne pomiędzy każdym wodorem i tlenem w wodzie jest polarne, cząsteczka wody jest ogólnie cząsteczką elektrycznie obojętną. Każda cząsteczka wody ma 10 protonów i 10 elektronów, co daje ładunek netto równy 0.
Dlaczego woda jest polarnym rozpuszczalnikiem
Kształt każdej cząsteczki wody wpływa na sposób, w jaki oddziałuje ona z innymi cząsteczkami wody oraz z innymi substancjami. Woda działa jak polarny rozpuszczalnik, ponieważ może być przyciągana przez dodatni lub ujemny ładunek elektryczny rozpuszczalnika. Lekki ładunek ujemny w pobliżu atomu tlenu przyciąga pobliskie atomy wodoru z wody lub dodatnio naładowane regiony innych cząsteczek. Lekko dodatnia strona wodoru każdej cząsteczki wody przyciąga inne atomy tlenu i ujemnie naładowane regiony innych cząsteczek. Wiązanie wodorowe pomiędzy wodorem jednej cząsteczki wody a tlenem drugiej utrzymuje wodę razem i nadaje jej ciekawe właściwości, jednak wiązania wodorowe nie są tak silne jak wiązania kowalencyjne. Podczas gdy cząsteczki wody są przyciągane do siebie poprzez wiązania wodorowe, około 20% z nich jest wolnych w danym momencie, aby oddziaływać z innymi formami chemicznymi. Ta interakcja nazywana jest hydratacją lub rozpuszczaniem.
Źródła
- Atkins, Peter; de Paula, Julio (2006). Chemia fizyczna (8th ed.). W.H. Freeman. ISBN 0-7167-8759-8.
- Batista, Enrique R.; Xantheas, Sotiris S.; Jónsson, Hannes (1998). "Molecular multipole moments of water molecules in ice Ih". The Journal of Chemical Physics. 109 (11): 4546-4551. doi:10.1063/1.477058.
- Clough, Shepard A.; Beers, Yardley; Klein, Gerald P.; Rothman, Laurence S. (1973). "Dipole moment of water from Stark measurements of H2O, HDO, and D2O". The Journal of Chemical Physics. 59 (5): 2254–2259. doi:10.1063/1.1680328
- Gubskaya, Anna V.; Kusalik, Peter G. (2002). "Całkowity molekularny moment dipolowy dla ciekłej wody". The Journal of Chemical Physics. 117 (11): 5290-5302. doi:10.1063/1.1501122.
- Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3rd ed.). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
