Полярность и вода

Вода (18 г/моль) кипит при 100 °C. Метан (16 г/моль), почти такой же тяжёлый, кипит примерно при −161.5 °C.

Потри пластиковую расчёску о волосы и поднеси её к тонкой струйке воды из-под крана. Струйка отклонится к расчёске. Попробуй то же со струйкой растительного масла, и почти ничего не произойдёт. У молекул воды есть положительный и отрицательный конец, и заряженная расчёска их притягивает. Такой перекос заряда называют полярностью. Во многом именно он объясняет, почему вода ведёт себя совсем не так, как другие маленькие молекулы.

Полярные связи

В ковалентной связи между двумя разными атомами более электроотрицательный атом сильнее притягивает общую пару. Электроотрицательность кислорода 3.44, водорода 2.20, поэтому в каждой связи O-H электроны больше времени проводят около кислорода. На кислороде появляется небольшой отрицательный заряд, его обозначают δ−, а на каждом водороде небольшой положительный, δ+. Такая связь полярная. У связей между одинаковыми атомами, как в H₂, O₂ или Cl₂, разность равна нулю, и они неполярны. Связь C-H с разностью 0.35 обычно считают почти неполярной.

Полярность молекулы зависит от формы

Молекула может иметь полярные связи и при этом быть неполярной в целом. В углекислом газе две сильно полярные связи C=O, но молекула вытянута в прямую линию. Две силы направлены точно в противоположные стороны и уравновешивают друг друга, как две равные команды при перетягивании каната. Четыре слабо полярные связи метана направлены к вершинам тетраэдра и тоже уравновешиваются. Молекула воды угловая. Обе связи O-H тянут частично в сторону кислорода и не гасят друг друга, поэтому у всей молекулы есть отрицательная сторона у кислорода и положительная между атомами водорода. Аммиак с пирамидальной формой полярен по той же причине.

Водородные связи

Атом водорода δ+ одной молекулы воды притягивается к неподелённой паре кислорода соседней молекулы. Такое притяжение между молекулами называют водородной связью. Она гораздо слабее ковалентной связи O-H внутри молекулы, но каждая молекула воды может образовать несколько таких связей, и вместе они крепко удерживают жидкую воду. Чтобы вода закипела, эту сеть нужно разорвать. Поэтому вода кипит при 100 °C, а метан, почти такой же массы, но неполярный, кипит примерно при −161.5 °C.

Водородные связи объясняют и то, почему лёд плавает. При замерзании каждая молекула закрепляется четырьмя водородными связями, направленными по тетраэдрическим направлениям вокруг кислорода. Получается рыхлый каркас с пустотами. Поэтому лёд менее плотный, чем жидкая вода: около 0.92 г/см³ против примерно 1.00 г/см³. Озёра замерзают сверху вниз, а слой льда защищает воду под ним от холода.

От полярности зависит и то, что в чём растворяется. Полярная вода растворяет соль и сахар: их ионы и полярные группы притягиваются к молекулам воды. Масло состоит из длинных цепочек углерода и водорода, почти неполярных. Молекулы воды держатся друг за друга, а не за масло, и жидкости расслаиваются. Химики говорят коротко: «подобное растворяется в подобном».

Разность электроотрицательностей даёт примерную лестницу от одного типа связи к другому. Разность ноль, как в Cl-Cl, означает чисто ковалентную связь. Небольшая разность, например 0.35 у C-H, даёт почти неполярную связь. Средняя, например 1.24 у O-H, даёт ковалентную полярную связь. Примерно от 2 и выше, как 2.23 у Na-Cl, электрон фактически переходит к другому атому, и связь называют ионной. Связи плавно скользят по этой лестнице, а не перепрыгивают из ячейки в ячейку, так что названия около границ отчасти условны.