1.5.2. Здатність молекул до поляризації

Залежно від характеру розподілу електронної густини молекули можуть бути полярними і неполярними. Полярність молекул зумовлена характером розподілу в них електронної густини. У неполярних молекулах центри зосередження позитивних і негативних зарядів збігаються. У полярних молекулах електронна хмара розміщена несиметрично, внаслідок чого виникають позитивні і негативні центри, які ще називаються полюсами. Ці полюси розташовані на певній відстані один від одного. Схематично диполі (полярні молекули) зображують овалом з просторово розділеними зарядами. Мірою полярності молекули є дипольний момент, що розраховується як добуток заряду ( ), який зосереджений на полюсах і пропорційний заряду електрона 1,601∙10^–19 Кл, на відстань (l) між полюсами:

(1.9)

Для двоатомних молекул дипольний момент визначається полярністю зв’язку. Так, у молекулах Н₂, Сl₂, O₂, N₂ хімічні зв’язки неполярні, електронна хмара розміщена симетрично між атомами, тому і молекули неполярні . У молекулах галогеноводнів електронна хмара зміщена до більш електронегативного атома галогену, на якому виникає частковий негативний заряд, а на атомі Гідрогену, відповідно, частковий позитивний (див. додаток 3). Зі зменшенням різниці електронегативностей атомів галогенів та атома Гідрогену зменшується і полярність зв’язку гідроген-галоген, тому дипольний момент в ряду галогеноводнів спадає від HF до НІ.

Якщо атомів у молекулі більше ніж два, насамперед треба врахувати її геометрію, тобто просторове розміщення атомів. Полярність визначається як векторна сума окремих дипольних моментів кожного дипольного зв’язку. Так, у молекулі Н₂О електронна густина зміщена від атомів Гідрогену до атома Оксигену, на якому знаходиться негативний полюс диполя. На атомах Гідрогену виникають позитивні ефективні заряди, спільний центр яких, тобто позитивний полюс, зосереджений між атомами Гідрогену. Оскільки кут між лініями зв’язку (валентний кут) дорівнює 104,5°, ці полюси просторово не збігаються і молекула води – полярна. З цієї ж причини полярними є кутові молекули H₂S, H₂Se, пірамідальні молекули NH₃, AsH₃ та інші. Для цих молекул дипольні моменти зменшуються в міру зменшення різниці між електронегативностями елементів.

У молекулі СO₂ хімічні зв’язки також полярні, електронна густина зміщена від атома Карбону до атомів Оксигену:

.

Але оскільки молекула лінійна, центри зосередження позитивного і негативного полюсів збігаються і дипольний момент дорівнює нулю. З цієї самої причини неполярними є і молекули ВеСl₂, ВСl₃, СН₄ та інші.

Зв’язані між собою атоми в молекулі впливають один на одного. Цей вплив характеризують індукційним ефектом. Він виражається здатністю окремих атомів (або груп атомів) у молекулі притягувати до себе або відштовхувати від себе електронні пари зв’язків. Таке зміщення електронної густини σ-зв’язку відбувається у бік більш електронегативного атома.

Полярні молекули мають електричну асиметрію і сталий електричний момент диполя, але полярність молекули можна змінити дією на неї зовнішнього електричного поля. Під впливом електричного поля відбувається зміщення електронних хмар, перерозподіл зарядів, і дипольний момент молекули набуває нового значення. Внаслідок цього в молекулі виникає наведений (індукований) диполь μ_інд. Його значення пропорційне напруженості Е зовнішнього електричного поля:

, (1.10)

де  – коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом здатності до поляризації. Здатність молекул до поляризації зумовлена здатністю їх зовнішнього електронного шару деформуватися, тому для подібних молекул, наприклад HCl, HBr, HI, коефіцієнт здатності до поляризації зростає зі збільшенням їхніх розмірів:

.

Здатність до поляризації властива як полярним, так і неполярним молекулам. Причому в полярних молекулах під впливом зовнішнього електричного поля до власного сталого дипольного момента додається індукований (наведений) дипольний момент . Після припинення дії зовнішнього електричного поля наведені диполі зникають.