Je N2 polární nebo nepolární?

Dělali jste někdy pokus, při kterém jste namočili květinu do studené látky a roztříštili ji na stole jako sklo? To byl kapalný dusík. I potraviny, které jíte a které vydrží dlouho, byly nepochybně konzervovány plynným dusíkem. Když se však podíváme na chemickou strukturu N2, častou otázkou začínajícího chemika může být, zda je N2 polární nebo nepolární. Pojďme prozkoumat několik témat o struktuře a reaktivitě N2, abychom našli odpověď!“

Je tedy N2 polární nebo nepolární? N2 je nepolární molekula, protože má lineární geometrickou strukturu a je to dvouatomová molekula. Výsledkem je, že oba atomy mají stejnou elektronegativitu a sdílejí stejný podíl náboje a výsledkem celé molekuly je čistý nulový dipólový moment, což z ní činí nepolární molekulu.

Dusík neboli N2 je velmi rozšířená a pro biologický život a průmyslové procesy nezbytná chemická látka. Dusík tvoří 78 % objemu vzduchu, který denně dýcháme, a ve formě sloučenin se nachází ve všech živých organismech.

Dusík je také hojně využíván v průmyslové chemii, včetně hnojiv, barviv, nylonu a výbušnin. Nejčastěji všechny čisticí prostředky, které jste použili s amoniakem, NH3, byly vyrobeny z molekulárního dusíku.

Polarita na základě elektronegativity

Když atomy tvoří vazby a vytvářejí molekuly, můžeme určit úroveň polarity, kterou bude molekula vykazovat. Iontové vazby zcela předávají valenční elektrony mezi atomy a vytvářejí tak náboj pro oba atomy.

Příklad když se sodík (Na) váže s chlorem (Cl), odevzdá sodík svůj jeden valenční elektron chloru, čímž vznikne Na+a Cl-, což je nejstabilnější forma těchto atomů.

Mluvíme však o kovalentních vazbách, které sdílejí elektrony mezi atomy. Tyto vazby vznikají mezi nekovy a kovalentní vazby mohou být buď polární, nebo nepolární.

Při vzniku kovalentních vazeb dochází k přenosu elektronové hustoty z jednoho atomu na druhý. Pokud elektronegativity atomů nejsou stejné, elektrony se nesdílejí rovnoměrně a na každém atomu vzniká částečně iontový náboj.

Krásným příkladem je vznik kyseliny chlorovodíkové neboli HCl.

Elektronegativity jsou obvykle uvedeny u prvku, který používáte, proto je zde uvedu. Vodík (H) má elektronegativitu 2,1, zatímco chlor (Cl) má elektronegativitu 3,0; čím vyšší elektronegativita, tím zápornější bude atom, když je stabilní.

Vodík má jeden valenční elektron a chce dva, aby doplnil valenční obal; chlor má sedm elektronů a chce osm, aby doplnil valenční obal. Budou tedy sdílet svůj jeden elektron a vytvoří kovalentní vazbu.

Chlor však zabere větší elektronovou hustotu, protože jeho elektronegativita je vyšší než elektronegativita vodíku.

To znamená, že chlor bude vykazovat částečný záporný náboj ze své zvýšené elektronové hustoty. Naopak u vodíku vznikne částečný kladný náboj kvůli jeho nedostatečné elektronové hustotě.

Tím vzniká dipólový moment, který směřuje elektronovou hustotu k elektronegativnější molekule.

Molekula kyseliny chlorovodíkové tedy bude polární, protože existuje rozdíl v elektronegativitách a molekulový dipólový moment.

Tady je článek, ve kterém si můžete ověřit polaritu HCl.

Proč je N2 nepolární molekula?

Použijeme tuto logiku na N2. Elektrogenetická aktivita atomů dusíku je přibližně 3,04. V plynném dusíku se však jedná o homonukleární molekulu, což znamená, že se jedná o dva stejné atomy spojené dohromady.

Mezi oběma atomy dusíku by nebyl žádný rozdíl v elektronegativitě, což znamená, že by se o elektronovou hustotu dělily rovným dílem.

Pokud se elektronová hustota dělí mezi oba atomy rovným dílem, nemůže vzniknout žádný dipólový moment. Můžeme tedy předpokládat, že N2 je nepolární.

Lewisova struktura N2

Lewisova struktura je velmi jednoduché znázornění valenčních neboli vnějších elektronů v molekule. Nevysvětluje geometrii molekuly, ale je to krok vpřed v přiblížení geografie.

Abyste však zjistili, zda je N2 polární nebo nepolární, může Lewisova struktura nejlépe odhalit elektronové složení molekuly.

Dusík je členem skupiny 5A periodické tabulky, což znamená, že jeho nejvnější slupka má pět elektronů. Lewisova struktura jednoho atomu dusíku je uvedena níže.

Dusík, stejně jako většina prvků periodické tabulky, se řídí pravidlem oktetu, což znamená, že chce mít ve své vnější slupce osm elektronů.

Proto bude vyhledávat další atomy, které také chtějí doplnit pravidlo oktetu, aby mohly sdílet valenční elektrony. Například amoniak je sloučenina složená z jedné molekuly dusíku a tří molekul vodíku.

Cílem je vytvořit elektronové páry: v horní části Lewisovy struktury pro atom dusíku je již pár elektronů nebo osamělý pár, takže nejsou k dispozici pro vazbu.

Zbylé tři jednoduché elektrony jsou k dispozici pro vytvoření kovalentní vazby nebo vazby, která sdílí elektrony mezi dvěma atomy, s jinými atomy, které mají jednoduché elektrony.

Vodík má jeden elektron a k doplnění vnějšího obalu potřebuje pouze dva elektrony; dusík má tedy prostor pro tři atomy vodíku.

Jak je uvedeno níže, dusík má nyní kolem sebe osm elektronů v podobě jednoho osamělého páru a tří jednoduchých vazeb.

Nyní je pravidlo oktetu dusíku kompletní a vodík má dva elektrony potřebné pro kompletní valenční slupku.

Zůstává nám Lewisova struktura amoniaku, která odpovídá jeho molekulárnímu vzorci NH3. Podívejte se do článku na polaritu NH3.

Nyní si vezměme molekulový vzorec dusíku, N2. Dusík je dvouatomová molekula, což znamená, že při standardní teplotě a tlaku (1 atm při 25 °C) se atomy dusíku přirozeně vážou s jiným atomem dusíku, čímž splňují obě atomová osmičková pravidla.

Dusík existuje v této rodině s dalšími dvouatomovými molekulami, jako je kyslík, vodík a čtyři halogeny (fluor, chlor, jód a brom). Jaká je tedy Lewisova struktura N2?“

No, když si uvědomíme, že dusík má pět valenčních elektronů, přičemž dva z těchto elektronů tvoří osamělý pár, musí doplnit pravidlo oktetu navázáním svých zbývajících tří volných elektronů.

Jak je znázorněno na obrázku výše, jeden elektron z jedné molekuly dusíku vytvoří jednoduchou vazbu s dalším elektronem z druhého dusíku.

Aby oba atomy dusíku splnily oktetové pravidlo, všechny tři volné elektrony vytvoří vazby, čímž vznikne trojná vazba. V přírodě tedy existuje molekula dusíku s trojnou vazbou, díky čemuž má nízkou energii a je v přírodě stabilní.

Molekulární geometrie N2

Teď, když jsme se zabývali Lewisovou strukturou, můžeme prozkoumat molekulární geometrii pro N2.

Z Lewisovy struktury lze obvykle předpovědět strukturu molekuly, ale Lewisova struktura nás může nasměrovat k teorii odpuzování elektronových párů valenčního obalu neboli VSEPR.

Teorie VSEPR pracuje s předpokladem, že geometrie molekuly bude minimalizovat odpuzování mezi elektrony ve valenční slupce daného atomu.

Pamatujte, že elektrony jsou záporné, a podobně jako magnety se budou odpuzovat, pokud se dostanou příliš blízko k sobě, což vytvoří v molekule napětí. Chceme tedy toto napětí minimalizovat.

Víme, že plynný dusík existuje jako dvouatomová molekula, a Lewisova struktura ukazuje, že se na její struktuře podílejí pouze dva atomy.

Podle teorie VSEPR by jediná struktura, kterou by N2 mohl mít, byla lineární, neboli pouze přímka. To znamená, že dva atomy jsou od sebe vzdáleny pod úhlem 180°., jak je vidět níže.

Typicky budou lineární molekuly nepolární, ale není tomu tak vždy (viz: kyselina chlorovodíková, kyselina fluorovodíková, oxid uhelnatý), takže jen na základě toho nemůžeme předpokládat, že N2 je nepolární.

Pro to se budeme muset ponořit trochu hlouběji do elektronové hustoty a elektronegativity, jak již bylo řečeno výše.

Pro lepší pochopení byste si také měli projít článek o Lewisově struktuře N2 a molekulové geometrii a hybridizaci.

Závěr

Dusík jako sloučenina je v našem každodenním životě nesmírně rozšířený. Jako dvouatomovou homojadernou molekulu můžeme určit jeho polaritu z jeho struktury, geometrie a elektronové hustoty.

Zjistili jsme, že plynný dusík tvoří silnou trojnou vazbu, má lineární geometrii se 180° mezi atomy dusíku a elektronovou hustotu rozděluje rovnoměrně mezi atomy dusíku. Proto můžeme určit, že plynný dusík je nepolární.