化学極性

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、結合した原子間の電気陰性度の差により、1 つ以上の極性結合を含んでいなければなりません。結合双極子が対称性によって互いに打ち消し合う 場合、極性結合を含む分子には分子極性がありません。

極性分子は、双極子間分子間力と水素結合を通じて相互作用します。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。

すべての原子が同じ力で電子を引き付けるわけではありません。原子が電子に及ぼす「引力」の量は、その原子の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に対して大きな引力を及ぼします。結合では、電子は電気陰性度の高い原子に引き寄せられるため、原子間での電子の不均等な共有につながります。

電子は負の電荷を持っているため、結合内の電子の不均等な共有により、電気双極子、つまり正電荷と負電荷の分離が形成されます。このような双極子で分離された電荷の量は通常、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）と表されます。これらの記号は、1926年にサー・クリストファー・インゴールドとエディス・ヒルダ（アッシャーウッド）・インゴー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、分離された電荷の量と電荷間の距離を掛けて計算されます。

分子内のこれらの双極子は他の分子内の双極子と相互作用し、双極子間の分子間力を生み出します。

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ときに発生します。「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。数値的手段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を使用します。

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 3 つのグループに分けられます。ポーリング スケールによると、

• 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おおよその関数である結合の部分的なイオン性に基づいている。彼は、差が1.7であれば50%のイオン性に相当すると推定し、差が大きいほどイオン性が優勢な結合に相当するとしている。^[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案した：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考え方を利用し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μは次のように表される。

${\displaystyle \mu =\delta \,d}$。

結合双極子は、部分電荷δ ⁺とδ ^–の間の距離dを持つδ ⁺  — δ ^{–としてモデル化されます。これは、}電気双極子モーメントベクトルの慣例に従って、結合軸に平行でマイナスからプラスを指すベクトルです^[6]。

化学者はプラスからマイナスを指すベクトルを描くことが多い。^[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、電子が自由状態の位置から電気陰性度の高い原子の周囲に局在するように移動するという物理的に解釈できる。

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大きすぎて実用的ではありません。結合双極子モーメントは一般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によって得られます。10 −10 スタットクーロンの変換係数は^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 Å 離れている場合に生じます。便利な変換係数は 1 D = 3.335 64 × 10です。${\displaystyle \delta }$ ⁻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の範囲です。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10.41 Dの双極子モーメントを持つ。^{[9] [要ページ] [10] [要検証]}

多原子分子の場合、結合は 1 つ以上あります。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、逆のプロセスで得られることがよくあります。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、同じ結合を持つが、全双極子モーメントがまだわかっていない分子に結合双極子モーメントを転送するために行われます。転送された結合双極子のベクトル和は、分子の全 (未知の) 双極子の推定値になります。

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。分子は、前述のように電気陰性度の差による極性結合の結果として、または完全な分子軌道として知られる非極性共有結合と非結合電子対の非対称配置の結果として、極性になることがあります。

分子は「極性共有結合」、「非極性共有結合」、または「イオン結合」と表現されますが、これ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か非極性が高いというだけです。ただし、次のような特性はこのような分子に典型的に見られます。

同様のモル質量を持つ極性分子と非極性分子を比較すると、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、一般に極性分子の沸点は高くなります。極性相互作用の一般的な形態の 1 つに水素結合があり、これは H 結合とも呼ばれます。たとえば、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。

水分子自体の極性により、他の極性分子は一般に水に溶けます。ほとんどの非極性分子は室温では水に溶けません (疎水性)。テレピン油などの多くの非極性有機溶媒は、非極性物質を溶かすことができます。

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。^[要出典]

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る。 ^[要出典]

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。 ^[要出典]たとえば、非極性ヘキサンは極性水よりも粘性が低くなります。ただし、分子サイズは極性よりも粘度に大きな影響を与えます。つまり、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くなります。^[要出典]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) よりも粘性が低くなります。

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、部分的に正の電荷と部分的に負の電荷を持つ）の結果として、正味の双極子を持ちます。水（H ₂ O）は、片側にわずかに正の電荷を持ち、もう一方にわずかに負の電荷を持つため、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]と氷（≈ 3.09 D）^{[13]は、水素結合環境が異なるため、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。たとえば、水分子( H ₂ O) には、曲がった(非線形) 形状の 2 つの極性 O−H 結合が含まれます。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、各結合は、負電荷を持つ中央の O 原子 (赤) と正電荷を持つ H 原子 (青) を結合します。

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 結合がわずかな極性（より電気陰性度の高い窒素原子への極性）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 4 番目の頂点を指す軌道に 2 つの孤立電子を持っています。この軌道は共有結合に関与しておらず、電子が豊富なため、アンモニア分子全体に強力な双極子が生じます。

オゾン(O ₃ ) 分子では、2 つの O−O 結合は非極性です (同じ元素の原子間で電気陰性度の差はありません)。ただし、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、外側の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であるため、結果としてオゾン分子全体に双極子が生じます。

分子が非極性になるのは、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で極性結合が対称的に配置されている場合です。たとえば、三フッ化ホウ素(BF ₃ ) は、3 つの極性結合が 120° の三角平面配置になっています。このため、分子全体に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。

家庭内の非極性化合物の例としては、脂肪、油、ガソリンなどが挙げられます。

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四面体状に配置されています。各結合には極性があります (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、分子全体に双極子はありません。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、したがって分子に極性はありません。

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、水と脂肪の安定したエマルジョンまたは混合物の形成に役立ちます。界面活性剤は、液体と液体の界面に 吸着することで、油と水の間の界面張力を低下させます。

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  この両親媒性分子は、右側にいくつかの極性基（親水性、親水性）を持ち、左側に長い非極性鎖（親油性、親油性）を持っています。これにより、界面活性剤としての性質が生まれます。
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  ミセル –界面活性剤分子の親油性末端は油に溶解し、親水性荷電末端は水相の外側に残り、疎水性ミセルの残りを保護します。このようにして、小さな油滴は水溶性になります。
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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す。

点群を決定することは、分子の極性を予測する便利な方法です。一般に、分子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、互いに反対の 2 つの等しいベクトルが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、いずれも双極子モーメントを持ちません。同様に、双極子モーメントは 1次元以上に存在することはできないため、複数の C _n回転軸を持つ分子は双極子モーメントを持ちません。この制約の結果として、定義により D 点群は 2 つ以上の C _n軸を持つため、二面対称(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。

_{C 1}、C _s、C _∞h C _n、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。

よくある誤解に反して、帯電物体から水流が電気的に偏向するのは極性によるものではありません。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。水流は均一な電界でも偏向しますが、この電界は極性分子に力を加えることはできません。さらに、水流を接地すると、偏向できなくなります。非極性液体でも弱い偏向は可能です。^[14]

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