化学的極性

結合は、完全に無極性か完全に極性かの2つの極端な状態のいずれかになります。完全に無極性の結合は、電気陰性度が等しく、したがって差がゼロの場合に発生します。完全に極性の結合は、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いため、一方の原子が他方の原子から電子を実際に受け取る場合に発生します。「極性」と「無極性」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。数値的な方法を使用し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が使用されます。 

結合極性は、結合している2つの原子間の電気陰性度の差に基づいて、大まかに3つのグループに分けられます。ポーリングの尺度によると：

• 非極性結合は一般的に、2つの原子間の電気陰性度の差が0.5未満の場合に発生する。
• 極性結合は一般的に、2つの原子間の電気陰性度の差が約0.5から2.0の間にある場合に発生する。
• イオン結合は一般的に、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する。

ポーリングはこの分類体系を、結合の部分的なイオン性に基づいて構築しました。これは、結合している2つの原子の電気陰性度の差のおおよその関数です。彼は、1.7の差が50%のイオン性に相当すると推定し、より大きな差は主にイオン性の結合に相当すると考えました。^{[ 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分子とイオン結合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量は、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^{[ 5 ]}は、電気双極子モーメントの概念を用いて、分子内の化学結合の極性を測定します。これは、正電荷と負電荷が分離しているときに発生します。

結合双極子モーメントμは次式で与えられる。

${\displaystyle \mu =\delta \,d}$。

結合双極子は、部分電荷δ ⁺と δ ^–の間の距離をdとする δ ⁺ — δ ^–としてモデル化されます。これは、結合軸に平行で、マイナスからプラスに向かうベクトルであり、電気双極子モーメントベクトルの慣例と同じです。^{[ 6 ]}  

化学者はしばしばプラスからマイナスに向かうベクトルを描きます。^{[ 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、相互作用を許されたときに電子が受ける動きとして物理的に解釈できます。電子は自由状態の位置から、より電気陰性度の高い原子の周りに局在化するように移動します。

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（記号Dで表される）で測定され、電荷を測定することによって得られます。${\displaystyle \delta }$単位は10⁻¹⁰^スタットクーロン、距離dはオングストロームです。10⁻¹⁰^スタットクーロンが0.208単位の素電荷に相当するという変換係数に基づくと、0.208 Å離れた電子と陽子から1.0デバイが得られます。有用な変換係数は1 D = 3.335 64 × 10です。     ⁻³⁰  C m. ^{[ 8 ]}

二原子分子には結合が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となり、典型的な値は0～11 Dの範囲です。一方の極端な例として、臭素Br のような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のに対し、もう一方の極端な例として、イオン性が非常に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求められます。つまり、既知の分子全体の双極子モーメント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、全体の双極子モーメントがまだ不明な分子に結合双極子モーメントを伝達するために行われます。伝達された結合双極子のベクトル和は、分子の（未知の）全体の双極子モーメントの推定値を与えます。

モル質量が類似している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-双極子相互作用によって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に水素結合があり、これはH結合とも呼ばれます。例えば、水は水素結合を形成し、モル質量M = 18、沸点は+100  ℃ですが、非極性メタンはM = 16、沸点は-161  ℃です。

水分子自体が極性を持つため、他の極性分子は一般的に水に溶けやすい。ほとんどの非極性分子は室温では水に溶けにくい（疎水性である）。テレピン油などの多くの非極性有機溶媒は、非極性物質を溶解することができる。

極性化合物は、非極性化合物よりも表面張力が高い傾向がある。

極性液体は、直径の小さい管の中では重力に逆らって上昇する傾向がある。

極性液体は非極性液体よりも粘度が高い傾向があります。例えば、非極性のヘキサンは極性の水よりも粘度がはるかに低いです。しかし、粘度には極性よりも分子サイズの方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度が高くなります。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）よりも粘度が低いのです。

極性分子は、非対称に配置された極性結合による反対の電荷（つまり、部分的な正電荷と部分的な負電荷）の結果として、正味の双極子モーメントを持ちます。水（H₂O _）は、片側にわずかな正電荷、もう片側にわずかな負電荷を持つため、極性分子の一例です。双極子は打ち消し合わないため、正味の双極子モーメントが生じます。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約 1.86デバイ（D）^{[ 11 ]}ですが、液体の水（約 2.95 D）^{[ 12 ]}および氷（約 3.09 D）^{[ 13 ]}は、水素結合環境が異なるため、より大きくなります。その他の例としては、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類（スクロースなど）が挙げられます。

分子の結合双極子モーメントが相殺されない場合、その分子は極性分子となります。例えば、水分子（H₂O _）は、曲がった（非線形）形状で2つの極性O-H結合を持っています。結合双極子モーメントは相殺されないため、分子は酸素原子に負極、2つの水素原子の中間に正極を持つ分子双極子を形成します。図では、それぞれの結合が、負電荷（赤）を持つ中心のO原子と正電荷（青）を持つH原子を結んでいます。

フッ化水素（ HF）分子は、極性共有結合によって極性を持つ。共有結合において、電子はより電気陰性度の高いフッ素原子の方へ移動する。 

アンモニア（NH₃ _）は、3つのN-H結合がわずかな極性（電気陰性度の高い窒素原子の方へ）しか持たない分子です。この分子は、VSEPR理論で予測されるように、ほぼ正四面体の4番目の頂点に向かう軌道に2つの孤立電子を持っています。この軌道は共有結合には関与せず、電子が豊富なため、アンモニア分子全体に強い双極子モーメントが生じます。

オゾン（O₃ _）分子では、2つのO-O結合は非極性です（同じ元素の原子間には電気陰性度の差がありません）。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、外側の原子はそれぞれ他の1つの原子としか電子を共有しないため、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、外側の原子はそれぞれ形式電荷が-1/2です）。分子は曲がった形状をしているため、結果としてオゾン分子全体に双極子モーメントが生じます。 

分子が非極性となるのは、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である。例えば、三フッ化ホウ素（BF₃ _）は、120°の角度で3つの極性結合が三角平面状に配置されている。このため、分子全体として双極子モーメントは生じない。

二酸化炭素（CO₂ _{）は2つの極性C=O結合を持つが、 CO₂}の幾何構造は直線状であるため、2つの結合双極子モーメントが相殺され、正味の分子双極子モーメントは存在しない。したがって、この分子は非極性である。

メタン分子（CH₄ _）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置されている。各結合には極性がある（ただし、それほど強くはない）。結合は対称的に配置されているため、分子全体としては双極子モーメントは存在しない。二原子_酸素分子（O₂ ）は、電気陰性度が等しいため共有結合に極性がなく、したがって分子全体にも極性はない。

他のアルカン分子はメタンよりも対称性が低いが、CH結合の極性が弱いため、双極子モーメントも弱い。また、鉱物油や灯油などの家庭用混合物は、そのようなアルカンから構成されているため、極性が弱い（しばしば「非極性」と表現される）。

片方の末端に極性基、もう片方の末端に非極性基を持つ大きな分子は、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、油と水の界面張力を低下させます。

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  この両親媒性分子は、右側に複数の極性基（親水性、水になじみやすい）を持ち、左側に長い非極性鎖（親油性、脂になじみやすい）を持っています。このため、界面活性剤としての性質を示します。
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  ミセルとは、界面活性剤分子の親油性末端が油に溶解し、親水性の荷電末端が水相中に残り、疎水性のミセルの残りの部分を覆い隠す構造のことである。このようにして、小さな油滴は水溶性となる。 
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  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。
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  リン脂質によって形成される構造の断面図。リン脂質はミセルを形成することができ、細胞膜の形成に不可欠である。