水 (H2 O) は極性分子であり、極性溶媒です。これは何を意味するのでしょうか？分子が極性の場合、正と負の電荷が不均一に分布しているため、分子の一部が部分的に正で、一部が部分的に負であることを意味します。図では、小文字のデルタ (δ) は極性分子の電荷分布を示しています。
正電荷は原子核内の陽子から発生し、負電荷は電子から発生します。水分子の各水素原子には 1 つの電子があり、ほとんどの時間を水素原子核と酸素原子核の間で過ごすため、電子が化学結合の一部ではない場合よりも水素原子核がさらされたままになります。水素原子は、部分的に正電荷を帯びています。一方、酸素原子には、互いに化学結合から可能な限り離れた 2 つの非結合電子対があり、酸素原子に部分的な負電荷を与えます。
水分子が極性であるのに、似ているように見える分子 (二酸化炭素や CO2 など) の理由を理解する。 ) は極性がないため、極性における電気陰性度と分子構造の役割を理解する必要があります。
電気陰性度と水の極性
電気陰性度の値が異なる原子は、極性結合を形成します。電気陰性度の差が十分に大きい場合 (たとえば、金属と非金属の間)、極性の高いイオン結合が形成されます。原子間のわずかな違い (たとえば、2 つの異なる非金属) は、極性共有結合の形成につながります。極性共有結合に参加している電子は、他の原子よりも 1 つの原子の近くでより多くの時間を費やし、原子の周りに部分的な正電荷と負電荷をもたらします。したがって、一酸化炭素 (CO) のような分子は極性です。炭素原子は部分的に正電荷を持っていますが、酸素原子は部分的に負電荷を持っています.
分子構造と水の極性
しかし、分子の幾何学は分子の極性にも関与しています。二酸化炭素 (CO2 )、分子はない 極性。これは、二酸化炭素が線状分子であり、部分的な正電荷と負電荷が効果的に相殺されるためです。言い換えれば、正味の双極子モーメントはゼロです。
二酸化炭素とは異なり、水は直鎖状の分子ではありません。水は 104.5° の曲がった形状をしています。曲がった形状は、正電荷と負電荷が均等に分散されておらず、互いに打ち消し合っていないことを意味します。水には正味の双極子モーメントがあります。
水が曲がった形状をしている理由は、酸素原子が 2 つの孤立電子対を持っているためです。酸素の電子構造は 1s 2s 2p です。各水素原子は、価電子殻を満たし、酸素 1s 2s 2p6 を与えるために 1 つの電子に寄与しますが、これは、2p 殻の電子のうちの 4 つ (2 対) が化学結合に関与していないことを意味します。電子対は同じ負の電荷を持っているため、互いに反発します。それらは、水素原子と酸素原子の間の化学結合によっても反発されますが、同じ量ではありません。同時に、水素原子は互いに反発します。斥力の間のバランスをとる行為は、四面体のジオメトリにつながります。しかし、電子対は幾何学の目に見えない構成要素であるため、見えるのは曲がった分子です。
水が極性溶媒である理由
水分子の形状と極性は、他の水分子や他の化合物との相互作用に影響を与えます。水が極性溶媒である理由は、溶質の正または負の電荷を引き付けるためです。酸素原子の部分的な負電荷は、他の水分子から水素原子を引き寄せ、他の分子から正の領域を引き付けます。一方、水素の部分的な正電荷は、他の水分子や他の分子の負の領域から酸素原子を引き付けます。
隣接する水分子の酸素原子と水素原子の間の引力により、水素結合が形成されます。水素結合は共有結合ほど強くなく、サンプル内のすべての水分子が水素結合に関与しているわけではありません。いつでも、水分子の約 20% が他の化学種と自由に相互作用します。この相互作用は、溶解または水和と呼ばれます。これは、水に「万能溶媒」という名前を与える水の重要な特性です。水は他のどの溶媒よりも多くの物質を溶解しますが、極性溶質のみを溶解するため、実際には「万能」ではありません。
水は極性がありますが、電気的に中性でもあることを覚えておいてください。部分的な正電荷と負電荷は不均等に分離されている可能性がありますが、それでも互いに打ち消し合います。各水分子には 10 個の陽子と 10 個の中性子が含まれていますが、正味の電荷は 0 です。
参考文献
- Huheey, J.E.; Keiter、E.A。キーター、R.L. (1993)。 無機化学:構造と反応性の原理 （第4版）。ニューヨーク州ハーパーコリンズ
- ジェンセン、ウィリアム B. (2009). 「端数料金の「デルタ」記号の起源」。 J.化学。教育 . 86 (5):545. doi:10.1021/ed086p545
- ポーリング、L. (1960)。 化学結合の性質 （第3版）。オックスフォード大学出版局。 ISBN 0801403332.
