Er N2 polært eller upolært?

Har du nogensinde lavet et eksperiment, hvor du dypper en blomst i et koldt stof og smadrer den på et bord som glas? Det var flydende nitrogen. Selv de fødevarer, du spiser, som kan holde sig i lang tid, er utvivlsomt blevet konserveret med nitrogengas. Når vi ser på den kemiske struktur af N2, er et almindeligt spørgsmål, som en ny kemiker kan have, imidlertid, om N2 er polært eller upolært. Lad os undersøge et par emner om N2’s struktur og reaktivitet for at finde svaret!

Så, er N2 polært eller upolært? N2 er et upolært molekyle på grund af sin lineære geometriske struktur, og det er et diatomært molekyle. Som følge heraf har begge atomer samme elektronegativitet og deler en lige stor del af ladningen, og det samlede molekyle resulterer i et dipolmoment på netto nul, hvilket gør det til et upolært molekyle.

Sitrogen, eller N2, er et meget rigeligt og nødvendigt kemisk stof for biologisk liv og industrielle processer. Kvælstof udgør 78 volumenprocent af den luft, vi indånder hver dag, og det findes i sammensat form i alle levende væsener.

Vælstof er også rigeligt i den industrielle kemi, herunder gødning, farvestoffer, nylon og sprængstoffer. Det mest almindelige er, at alle rengøringsmidler, du har brugt med ammoniak, NH3, blev fremstillet med molekylært kvælstof.

Polaritet baseret på elektronegativitet

Når atomer danner bindinger for at skabe molekyler, kan vi bestemme, hvilken grad af polaritet molekylet vil udvise. Ioniske bindinger overfører fuldstændigt valenselektroner mellem atomerne for at danne en ladning for begge atomer.

For eksempel, når natrium (Na) binder sig med klor (Cl), afgiver natrium sin ene valenselektron til klor og danner Na+og Cl-, den mest stabile form af disse atomer.

Det drejer sig imidlertid om kovalente bindinger, som deler elektroner mellem atomerne. Disse bindinger forekommer mellem ikke-metaller, og kovalente bindinger kan enten være polære eller upolære.

Når der opstår kovalente bindinger, sker der en overførsel af elektrontæthed fra det ene atom til det andet. Hvis atomernes elektronegativiteter ikke er lige store, vil elektronerne ikke blive delt ligeligt, og der dannes delvist ioniske ladninger på hvert atom.

Et godt eksempel på dette er dannelsen af saltsyre eller HCl.

Elektronegativiteter er typisk angivet for det grundstof, du bruger, så jeg vil give dem her. Brint (H) har en elektronegativitet på 2,1, mens klor (Cl) har en elektronegativitet på 3,0. Jo højere elektronegativitet, jo mere negativt vil et atom være, når det er stabilt.

Brint har én valenselektron og ønsker to for at fuldføre sin valensskal; klor har syv elektroner og ønsker otte for at fuldføre sin valensskal. De vil således dele deres ene elektron og danne en kovalent binding.

Derimod vil klor optage mere elektrontæthed, da dets elektronegativitet er højere end hydrogenets.

Det betyder, at klor vil vise en delvis negativ ladning på grund af dets øgede elektrontæthed. Omvendt udvikler brint en delvis positiv ladning på grund af sin manglende elektrontæthed.

Dette skaber et dipolmoment, som leder elektrontætheden hen til det mere elektronegative molekyle.

Derfor vil et saltsyremolekyle være polært, fordi der er en forskel i elektronegativitet og et molekylært dipolmoment.

Her er artiklen til at tjekke polariteten af HCl.

Hvorfor er N2 et upolært molekyle?

Lad os anvende denne logik på N2. Nitrogenatomer har en elektronegativitet på ca. 3,04. Men i kvælstofgas er det et homonukleært molekyle, hvilket betyder, at det er to af de samme atomer, der er bundet sammen.

Der ville ikke være nogen forskel i elektronegativitet mellem de to kvælstofatomer, hvilket betyder, at de ville dele elektrontætheden ligeligt.

Hvis elektrontætheden deles ligeligt mellem de to atomer, kan der ikke dannes noget dipolmoment. Derfor kan vi antage, at N2 er upolær.

Lewisstruktur af N2

En Lewisstruktur er en meget simpel repræsentation af valens- eller yderste elektroner i et molekyle. Den forklarer ikke molekylets geometri, men den er et skridt fremad i tilnærmelsen til geografien.

Men for at finde ud af, om N2 er polær eller upolær, kan Lewis-strukturen afsløre molekylets bedste elektronopbygning.

Sitrogen tilhører gruppe 5A i det periodiske system, hvilket betyder, at dets yderste skal har fem elektroner. Lewisstrukturen for et enkelt nitrogenatom er nedenfor.

Stickstof følger som de fleste grundstoffer i det periodiske system oktetreglen, hvilket betyder, at det ønsker otte elektroner i sin yderste skal.

Så det vil opsøge andre atomer, der også ønsker at fuldføre oktetreglen, så de kan dele valenselektroner. For eksempel er ammoniak en forbindelse, der består af et nitrogen- og tre hydrogenmolekyler.

Målet er at skabe elektronpar: øverst i lewis-strukturen for et nitrogenatom er der allerede et par elektroner eller et lone pair, så de er ikke tilgængelige til binding.

De andre tre enkeltelektroner er tilgængelige til at lave kovalente bindinger eller bindinger, der deler elektronerne mellem to atomer, med andre atomer, der har enkeltelektroner.

Vådstof har én elektron og har kun brug for to elektroner til at udfylde sin ydre skal; nitrogen har således plads til tre hydrogenatomer.

Som vist nedenfor har nitrogen nu otte elektroner omkring sig, i form af et enkeltpar og tre enkeltbindinger.

Nu er nitrogenets oktetregel komplet, og hydrogen har de to elektroner, der er nødvendige for en komplet valensskal.

Det efterlader os med ammoniaks Lewis-struktur, som passer til dets molekylformel, NH3. Se artiklen for polariteten af NH3.

Nu tager vi nitrogenets molekylformel, N2. Kvælstof er et diatomært molekyle, hvilket betyder, at ved standardtemperatur og -tryk (1 atm ved 25 °C) binder kvælstofatomer naturligt sammen med et andet kvælstofatom for at opfylde begge atomers oktetregel.

Tørstof eksisterer i denne familie sammen med andre diatomære molekyler, såsom ilt, brint og de fire halogener (fluor, klor, jod og brom). Så hvad er N2’s Lewis-struktur?

Vi skal huske, at kvælstof har fem valenselektroner, hvoraf to af disse elektroner danner et ensomt par, og de er nødt til at fuldende oktetreglen ved at binde deres tre andre frie elektroner.

Som vist i figuren ovenfor vil en elektron fra det ene kvælstofmolekyle danne en enkeltbinding med en anden elektron fra det andet kvælstof.

For at begge kvælstofatomer kan opfylde oktetreglen, vil alle tre frie elektroner danne bindinger, hvorved der opstår en tripelbinding. Således findes et nitrogenmolekyle i naturen med en tripelbinding, hvilket gør det lavt energimæssigt og stabilt i naturen.

Molekylær geometri for N2

Nu hvor vi har gennemgået Lewis-strukturen, kan vi udforske den molekylære geometri for N2.

Du kan typisk forudsige molekylets struktur ud fra Lewis-strukturen, men Lewis-strukturen kan lede os til valensskalens elektronpar-repulsion, eller VSEPR-teorien.

VSEPR-teorien arbejder ud fra den antagelse, at et molekyls geometri vil minimere frastødningen mellem elektroner i en valensskal på det pågældende atom.

Husk, at elektroner er negative, og ligesom magneter vil de frastøde hinanden, hvis de kommer for tæt på hinanden, hvilket skaber en belastning på molekylet. Så vi ønsker at minimere denne belastning.

Vi ved, at nitrogengas eksisterer som et toatomigt molekyle, og Lewis-strukturen viser kun to atomer, der deltager i dets struktur.

I henhold til VSEPR-teorien er den eneste struktur, N2 kan antage, lineær, eller bare en lige linje. Det betyder, at de to atomer er adskilt i en vinkel på 180°.., som det ses nedenfor.

Typisk vil lineære molekyler være upolære, men det er ikke altid tilfældet (se: saltsyre, flussyre, carbonmonoxid), så vi kan ikke antage, at N2 er upolær alene på dette grundlag.

For dette bliver vi nødt til at dykke lidt dybere ned i elektrontæthed og elektronegativitet, som vi allerede har diskuteret ovenfor.

For at få mere forståelse bør du også gennemgå artiklen om N2 Lewisstruktur og molekylær geometri og hybridisering.

Konklusion

Sitrogen som forbindelse er enormt rigeligt til stede i vores hverdag. Som et toatomigt, homonukleært molekyle kan vi bestemme dets polaritet ud fra dets struktur, geometri og elektrontæthed.

Vi fandt ud af, at nitrogengas danner en stærk tripelbinding, er lineær i geometri med 180° mellem nitrogenatomer og deler sin elektrontæthed ligeligt mellem nitrogenatomer. Derfor kan vi bestemme, at kvælstofgas er upolær.