化学極性
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化学において、極性とは電荷の分離であり、分子またはその化学基は電気双極子モーメントを持ち、負に帯電した端と正に帯電した端を 持つことになります。
極性分子は、結合原子間の電気陰性度の差により、1つ以上の極性結合を持たなければなりません。極性結合を含む分子は、結合双極子が対称性によって互いに打ち消し合う 場合、分子極性を持ちません。
極性分子は、双極子間力と水素結合を介して相互作用します。極性は、表面張力、溶解度、融点、沸点など、 多くの物理的特性の基礎となります。
結合の極性
すべての原子が同じ力で電子を引きつけるわけではありません。原子が電子に及ぼす「引力」の大きさは、電気陰性度と呼ばれます。フッ素、酸素、窒素などの電気陰性度の高い原子は、アルカリ金属やアルカリ土類金属 などの電気陰性度の低い原子よりも、電子を引きつける力が大きくなります。結合においては、電子は電気陰性度の高い原子に引き寄せられるため、原子間で電子の共有が不均等になります。
電子は負の電荷を持つため、結合内の電子の不均等な分配は電気双極子、すなわち正電荷と負電荷の分離を形成します。このような双極子に分離された電荷量は通常、基本電荷よりも小さいため、部分電荷と呼ばれ、δ+（デルタプラス）およびδ-（デルタマイナス）と表記されます。これらの記号は、1926年にクリストファー・インゴルド卿とエディス・ヒルダ（アッシャーウッド）・インゴルドによって導入されました。 [ 1 ] [ 2 ]結合双極子モーメントは、分離された電荷量と電荷間の距離を乗じて計算されます。
分子内のこれらの双極子は他の分子の双極子と相互作用し、双極子間分子間力を生成します。
分類
結合は、完全に非極性か完全に極性かという2つの極端な状態の間にあります。完全に非極性の結合は、電気陰性度が同一で、差がゼロのときに発生します。完全に極性のある結合は、より正確にはイオン結合と呼ばれ、電気陰性度の差が十分に大きく、一方の原子がもう一方の原子から電子を奪う場合に発生します。「極性」と「非極性」という用語は通常、共有結合、つまり極性が完全ではない結合に適用されます。数値的な手段を用いて共有結合の極性を決定するには、原子の電気陰性度の差を用います。
結合極性は、通常、結合した2つの原子間の電気陰性度の差に基づいて、大まかに3つのグループに分類されます。ポーリングスケールによれば、
- 非極性結合は、通常、2つの原子間の電気陰性度の差が0.5未満の場合に発生します。
- 極性結合は、通常、2つの原子間の電気陰性度の差がおよそ0.5～2.0のときに発生します。
- イオン結合は、通常、2つの原子間の電気陰性度の差が2.0より大きい場合に発生します。
ポーリングはこの分類体系を、結合した2つの原子間の電気陰性度の差の近似関数である結合の部分イオン性に基づいて考案しました。彼は、差が1.7であれば50%がイオン性であることに相当し、差が大きいほど結合は主にイオン性であると推定しました。[ 3 ]
量子力学的記述として、ポーリングは極性分子ABの波動関数は共有結合性分子とイオン結合性分子の波動関数の線形結合であると提唱した：ψ = aψ(A:B) + bψ(A + B − )。共有結合性とイオン結合性の強さは、係数a 2とb 2の二乗の値に依存する。[ 4 ]
結合双極子モーメント
結合双極子モーメント[ 5 ]は、電気双極子モーメントの考え方を用いて分子内の化学結合の極性を測定する。これは、正電荷と負電荷が分離しているときに必ず発生する。
結合双極子μは次のように与えられる。
- 。
結合双極子は、δ + — δ –としてモデル化され、部分電荷δ +と δ –の間の距離はdである。これは、電気双極子モーメントベクトルの慣例に従い、結合軸に平行で、マイナスからプラスへ向かうベクトルである[ 6 ]。
化学者はプラスからマイナスを指すベクトルをよく描きます。[ 7 ]このベクトルは、2つの原子が距離dだけ離れて配置され、相互作用できる場合、電子が自由な状態からより電気陰性度の高い原子の周りに局在するように移動するという、物理的に解釈できます。
電気双極子モーメントのSI単位はクーロン・メートルです。これは分子スケールでは実用的ではありません。結合双極子モーメントは一般的にデバイで測定され、記号Dで表されます。これは、電荷を10 −10スタットクーロン単位で測定し、距離dをオングストロームで測定することで得られます。10 −10スタットクーロンの換算係数は素電荷の0.208単位であるため、1.0デバイは電子と陽子が0.208オングストローム離れている場合に生じます。有用な換算係数は1 D = 3.335 64 × 10です。−30 ℃ [ 8 ]
二原子分子の場合、結合は1つ（単結合または多重結合）しかないため、結合双極子モーメントは分子双極子モーメントであり、典型的な値は0から11 Dの範囲にあります。極端な例として、臭素（Br）などの対称分子があります。2は双極子モーメントがゼロであるが、反対にイオン性の高い気相臭化カリウム（KBr）は双極子モーメントが10.41 Dである。[ 9 ] [ 10 ]
多原子分子には複数の結合が存在します。分子全体の双極子モーメントは、個々の結合双極子モーメントのベクトル和として近似できます。結合双極子は、多くの場合、逆のプロセスによって得られます。つまり、分子の既知の全双極子を結合双極子に分解します。これは、同じ結合を持つものの、全双極子モーメントがまだ分かっていない分子に、結合双極子モーメントを移すために行われます。移された結合双極子のベクトル和は、分子の（未知の）全双極子モーメントの推定値となります。
分子の極性
分子は、異なる原子の分子軌道間の1つ以上の化学結合で構成されています。分子が極性を持つのは、前述のように電気陰性度の差による極性結合の結果である場合もあれば、非極性共有結合と非結合電子対の非対称配置（完全分子軌道）の結果としてである場合もあります。
分子は「極性共有結合性」、「非極性共有結合性」、「イオン結合性」などと表現されますが、これらは相対的な用語であることが多く、ある分子が他の分子よりも極性が高い、あるいは非極性が高いというだけのことです。しかしながら、以下の特性はこれらの分子に典型的に見られます。
沸点
分子量が同程度の極性分子と非極性分子を比較すると、一般的に極性分子の方が沸点が高くなります。これは、極性分子間の双極子間相互作用により、分子間引力が強くなるためです。極性相互作用の一般的な形態の一つは水素結合（H結合とも呼ばれます）です。例えば、水はH結合を形成し、モル質量M = 18、沸点は+100 °Cです。一方、非極性メタンはM = 16、沸点は-161 °Cです。
溶解度
水分子自体の極性により、他の極性分子は一般的に水に溶解します。ほとんどの非極性分子は室温では水に不溶性（疎水性）です。テレピン油などの多くの非極性有機溶媒は、非極性物質を溶解します。
表面張力
極性化合物は非極性化合物よりも表面張力が高くなる傾向があります。
毛細管現象
極性液体は、小径チューブ内では 重力に逆らって上昇する傾向があります。
粘度
極性液体は非極性液体よりも粘性が高い傾向があります。例えば、非極性ヘキサンは極性水よりもはるかに低い粘性を示します。しかし、粘度には極性よりも分子サイズがはるかに大きな影響を与え、分子が大きい化合物は分子が小さい化合物よりも粘性が高いという性質があります。したがって、水（小さな極性分子）はヘキサデカン（大きな非極性分子）よりも粘性が低いと言えます。
例
極性分子
極性分子は、非対称に配置された極性結合からの反対の電荷（つまり、部分的に正電荷と部分的に負電荷を持つ）の結果として、正味の双極子を持ちます。水（H 2 O）は、片側にわずかに正電荷を帯び、もう一方にわずかに負電荷を帯びているため、極性分子の一例です。双極子は打ち消されないため、正味の双極子になります。水の双極子モーメントはその状態によって異なります。気相では双極子モーメントは≈ 1.86デバイ（D）[ 11 ]ですが、液体の水（≈ 2.95 D）[ 12 ]や氷（≈ 3.09 D）[ 13 ]は水素結合環境の異なるため、より高くなります。他の例としては、多くの極性酸素–水素（−OH）基を持ち、全体的に非常に極性が高い糖（スクロースなど）があります。
分子の結合双極子モーメントが打ち消されない場合、分子は極性を持ちます。例えば、水分子（H 2 O）は、曲がった（非線形）形状に2つの極性O−H結合を有しています。結合双極子モーメントは打ち消されないため、分子は酸素原子を負極、2つの水素原子の中間を正極とする分子双極子を形成します。図では、各結合は中心の負電荷を持つO原子（赤）と正電荷を持つH原子（青）を結合しています。
フッ化水素( HF) 分子は極性共有結合により極性を持ちます。共有結合では、電子はより電気陰性度の高いフッ素原子の方向に移動されます。
アンモニア（NH 3）は、3つのN−H結合がわずかに極性（より電気陰性度の高い窒素原子側）を持つ分子です。この分子は、VSEPR理論によって予測されるように、ほぼ正四面体の第4頂点を向く軌道に2つの孤立電子を有しています。この軌道は共有結合には関与しておらず、電子が豊富であるため、アンモニア分子全体に強力な双極子が形成されます。
オゾン（O 3 ）分子では、2つのO−O結合は非極性（同じ元素の原子間で電気陰性度の差がない）です。しかし、他の電子の分布は不均一です。中心原子は他の2つの原子と電子を共有する必要がありますが、外殻原子はそれぞれ1つの原子とのみ電子を共有する必要があるため、中心原子は他の原子よりも電子が不足しています（中心原子の形式電荷は+1ですが、外殻原子の形式電荷はそれぞれ- 1 ⁄ 2です）。分子は曲がった形状をしているため、オゾン分子全体に双極子が形成されます。
非極性分子
分子が非極性であるのは、二原子分子の2つの原子間で電子が均等に共有されている場合、またはより複雑な分子において極性結合が対称的に配置されている場合のいずれかです。例えば、三フッ化ホウ素（BF 3）は、3つの極性結合が120°の角度で三方平面に配列しています。そのため、分子全体には双極子は存在しません。
二酸化炭素(CO 2 ) には 2 つの極性 C=O 結合がありますが、CO 2の形状は直線であるため、2 つの結合双極子モーメントが打ち消され、正味の分子双極子モーメントは存在せず、分子は非極性です。
メタン分子（CH 4 ）では、4つのC−H結合が炭素原子の周りに正四面体状に配列しています。それぞれの結合は極性を持っています（ただし、それほど強くはありません）。結合は対称的に配置されているため、分子全体には双極子は存在しません。二原子酸素分子（O 2）は、電気陰性度が等しいため共有結合に極性がなく、したがって分子には極性がありません。
他のアルカン分子はメタンほど対称性は高くありませんが、CH結合の極性が弱いため、双極子は弱くなります。また、鉱油や灯油などの家庭用混合物も、このようなアルカンで構成されているため、極性が弱い（しばしば「非極性」と表現されます）です。
両親媒性分子
一方の端に極性基が結合し、もう一方の端に非極性基が結合した大きな分子は、両親媒性物質または両親媒性分子と呼ばれます。これらは優れた界面活性剤であり、水と油脂の安定したエマルジョン（混合物）の形成を助けます。界面活性剤は、液液界面に 吸着することで、油と水の間の界面張力を低下させます。
- リン脂質は重要な生物学的機能を持つ効果的な天然界面活性剤である。
分子の極性の予測
| 式 | 説明 | 例 | 名前 | 双極子モーメント | |
|---|---|---|---|---|---|
| ポーラー | AB | 線状分子 | 二酸化炭素 | 一酸化炭素 | 0.112 |
| HA x | 単一のHを持つ分子 | HF | フッ化水素 | 1.86 | |
| A x OH | 片端にOH基を持つ分子 | C 2 H 5 OH | エタノール | 1.69 | |
| O x A y | 片端にOを持つ分子 | 水 | 水 | 1.85 | |
| N x A y | 片端にNを持つ分子 | NH 3 | アンモニア | 1.42 | |
| 非極性 | A 2 | 同じ元素の 二原子分子 | O 2 | 二酸素 | 0.0 |
| C x A y | ほとんどの炭化水素化合物 | C 3 H 8 | プロパン | 0.083 | |
| C x A y | 反転中心を持つ炭化水素 | C4H10 | ブタン | 0.0 |
点群を決定することは、分子の極性を予測する有用な方法です。一般的に、分子内の個々の結合双極子モーメントが互いに打ち消し合う場合、分子は双極子モーメントを持ちません。これは、双極子モーメントが大きさと方向を持つユークリッドベクトル量であり、互いに反対向きの2つの等しいベクトルは打ち消し合うためです。
反転中心（"i"）または水平鏡面（"σ h "）を持つ分子は、双極子モーメントを持ちません。同様に、C n回転軸を複数持つ分子も双極子モーメントを持ちません。これは、双極子モーメントが1次元以上に存在することができないためです。この制約の結果として、二面対称性（D n）を持つすべての分子は双極子モーメントを持ちません。これは、定義により、D点群は2つ以上のC n軸を持つためです。
C 1、C s、C ∞h C nおよび C n v点群には反転中心、水平鏡面、または複数の C n軸がないため、これらの点群のいずれかの分子は双極子モーメントを持ちます。
水の電気的偏向
よくある誤解とは異なり、帯電物体から発せられる水流の電気的偏向は極性に基づくものではありません。この偏向は、帯電物体が誘起する水流中の帯電液滴によって発生します。水流は均一電界内でも偏向しますが、均一電界は極性分子に力を及ぼすことができません。さらに、水流を接地すると、もはや偏向できなくなります。弱い偏向は、非極性液体であっても起こり得ます。[ 14 ]
参照
参考文献
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外部リンク