メタン (CH4 ) 無極性です 単一の炭素原子と 4 つの水素原子から構成される炭化水素化合物。メタンは、炭素と水素の電気陰性度の差が分極化学結合を形成するほど大きくないため、無極性です。
炭素と水素の ΔEN は ~0.35 であり、真の極性結合と見なすには弱すぎます。メタンは無極性であるため、分子全体で均一な電荷を持っています。
興味深いことに、C–H 結合が極性であっても、メタンは変わらず 非極性分子であること。メタンは四面体分子であるため、幾何学的に対称です。つまり、どのように回転させても同じように見えます。 C–H 結合が極性である場合、3 次元空間でのこれらの結合の位置は、各結合からの部分電荷を打ち消し、分子全体を非極性にします。結合の対称性は、各電荷ベクトルが別の電荷ベクトルによって打ち消され、分子の全体的な極性が 0 になることを意味します。
一言で言えば極性
極性分子は、分子上の電子の分布に正味の違いがある分子です。この正味の違いにより、極性分子は部分電荷を持ちます。分子が極性であるかどうかは、結合した要素の電気陰性度に依存します。すべての元素には電気陰性度があります。これは、その元素が電子に対してどの程度「飢えている」かを示す尺度です。
一般に、周期表の左側の元素は電気陰性度が低く、右側の元素は電気陰性度が高くなります (電気陰性度が 0 の 8 族希ガスを除く)。フッ素は電気陰性度が最も高く、EN=4 と定義されています。他のすべての電気陰性度は、フッ素をベースライン比較として、相対スケールで計算されます。
極性または化学結合は、結合した要素の電気陰性度の違いによって決まります。同じ電気陰性度を持つ要素は、完全に無極性の結合を形成します。 ΔEN ≥ 2 の元素は完全に極性の結合を形成し、より正確にはイオン結合と呼ばれます。そのため、「極性結合」という用語は、ΔEN=0.3～1.7 の共有結合元素に主に使用されます。
極性結合を持つ分子では、電気陰性度の高い元素が分子の構成元素に不均等な力を及ぼします。そのため、電子は電気陰性度の高い元素に向かう傾向があり、分子全体に電荷が不均一に分布します。この不均等な分布は、分子全体の双極子モーメントとして現れ、電気陰性度の高い原子に局在する - 部分電荷と、電気陰性度の低い原子に局在する + 電荷を持ちます。逆に、非極性分子は、非極性結合を含む分子、または分子の幾何学的構造が極性結合を相殺する分子です。
極性/非極性化合物の例
簡単な例として、水は 2 つの水素原子と 1 つの酸素原子で構成される極性化合物です。酸素は水素より電気陰性度が高いため、酸素原子は分子の電子をより強く引っ張ります。その結果、水分子は部分電荷を持ち、- 荷電端が酸素原子の周囲に局在し、2 つの + 荷電端が各水素原子の周囲に局在します。水の極性は、その物理的特性の多くを説明しています。
非極性分子の例は、二硫化炭素 (CS2 ）。二硫化炭素は、線形原子構造の単一の炭素原子に二重結合した 2 つの硫黄原子でできています。炭素と硫黄。炭素と硫黄はどちらも電気陰性度が 2.5 であるため、電子を均等に引き寄せ、それらの間の結合は無極性です。
非極性分子のもう 1 つの例は、有機化合物 ベンゼンです。 それぞれが水素原子に結合した6個の炭素原子の環から構成されています。ベンゼンは、その対称構造と C-H 結合の極性が低いため、無極性です。炭素と水素の電気陰性度の差はごくわずかであり、ベンゼン分子の対称的な形状により、電荷のわずかな差が他の結合によって相殺されることが保証されます。
分子構造と極性
化合物に極性結合があるからといって、必ずしも分子全体が極性になるとは限りません。たとえば、四塩化炭素 (CCl4 ）。四塩化炭素は、四面体構造の 4 つの塩素原子に囲まれた単一の炭素原子から構成されます。塩素は炭素よりも電気陰性度が高いため、C–Cl 結合は実際には極性があります。それにもかかわらず、四塩化炭素は非極性分子です。
四塩化炭素が無極性である理由は、その分子構造によるものです。各塩素原子は、中央の炭素原子の周りに位置しています。各極性 C–Cl 結合の正確な配置により、各塩素原子が炭素原子の電子に同じ引力を及ぼすようになり、塩素原子の引力が互いに相殺されます。同様に、二酸化炭素 (CO2 ）、C–O 結合は極性がありますが、二酸化炭素の線形構造により、各酸素原子が炭素原子に同じ力を及ぼすことが保証されるため、分子全体が非極性です。この規則は逆の方法でも機能します。非極性結合を持つ分子は、その構成原子が非対称幾何学に配置されている場合、依然として極性分子である可能性があります。
なぜCH4なのか 極?
メタンは、家庭、ストーブ、給湯器、自動車、ロケットなど、さまざまな燃料として最も一般的に使用されている炭化水素です。メタンは、有機プロセスと無機プロセスの両方によって形成される天然化合物です。微生物活動による有機物質の分解によりメタンが生成され、地球の地殻における高圧地質学的活動により、水と岩石の相互作用によりメタンが生成されます。メタンは室温で無色無臭の気体です。メタンに関連する特徴的な「腐った卵」の臭いは、実際にはガス中の他の化学物質に由来し、通常は安全対策のために追加されます。メタンは可燃性が高く、燃焼反応に理想的な反応物です。
前述のように、メタンは無極性です。その非極性は、その非極性 C–H 結合の結果であり、その全体的な四面体構造です。 C–H 結合は ΔEN=0.35 であるため、極性とは見なされません。さらに、メタンは対称的な四面体構造に配置されているため、C–H 結合のわずかな極性は他の結合の位置によって相殺されます。
メタンは無極性であるため、他の無極性化合物の溶解に役立ちます。化学には、「似たものは似たように溶ける」という格言があります。したがって、極性化合物は他の極性化合物をより容易に溶解する傾向があり、非極性化合物は他の非極性化合物をよりよく溶解する傾向があります.
化合物が極性か非極性かを見分ける方法
特定の化合物が極性か非極性かを予測するために実行できる手順がいくつかあります。まず、化合物のルイス構造を構築することができます。ルイス構造は、化合物中の電子の分布を視覚的に表したものです。ルイス構造をスケッチすると、化合物中の電子がどのように配置されているかが分かり、原子構造の大まかなアイデアが得られます。
次に、ルイス構造から、VESPR 理論を使用して化合物の 3 次元形状を予測できます。一般に、分子は、その電子の静電反発を最小限に抑える形状をとる傾向があります。たとえば、3 つの末端原子が 1 つの中心原子に結合した分子 (一般的な形式 XY3 の化合物) ) は、正三角形に配置された 3 つの原子に囲まれた中心原子である、三方平面の形状をとる傾向があります。三角形の末端原子の位置は、末端原子の外殻における価電子の静電反発を最小限に抑えます。三原子化合物 (一般形 XY2 の化合物) ) 中心原子の孤立電子対の存在に応じて、線形構造または曲がった構造のいずれかを形成する傾向があります。主族元素から構成されるほとんどの化合物の 3 次元構造は、それぞれのルイス構造から予測できます。
化合物の 3 次元形状を把握したら、個々の結合の極性を決定し、それらの値を合計して、分子の全極性を決定できます。すべての極性化合物は対称形をしていますが、すべての対称化合物が極性であるとは限りません。化合物が対称的な形状を持ち、すべての末端原子がすべて同じ元素である場合、その化合物はおそらく無極性です。化合物が対称的な形状を持ち、末端原子が異なる元素である場合、極性がある可能性があります。化合物に極性結合と非対称構造がある場合、極性である可能性があります。最後に、分子に非極性結合と対称構造がある場合、おそらく非極性です。
これらの上記のガイドラインを使用して、主族元素から作られたほとんどの化合物の極性を決定できます。すべてのガイドラインと同様に、これらの規則には例外があります。たとえば、グループ 4-11 の遷移金属から形成された化合物は、8 重原子価のシェル規則に従わず、それらの形状はルイス構造だけから予測することはできません。遷移金属は、奇妙な電子配置のため、通常は極性化合物を作りませんが、少数は存在します。ニッケル酸ランタン (LaNiO3 ) は、室温で導体と極性物質の両方である極性金属化合物です。
