Onko N2 polaarinen vai ei-polaarinen?

Oletko koskaan tehnyt koetta, jossa kastat kukan kylmään aineeseen ja pirstot sen pöydälle kuin lasin? Se oli nestemäistä typpeä. Jopa syömäsi elintarvikkeet, jotka säilyvät pitkään, on epäilemättä säilötty typpikaasulla. Kun tarkastelemme N2:n kemiallista rakennetta, uusi kemisti saattaa kuitenkin usein kysyä, onko N2 polaarinen vai pooliton. Tutustutaanpa muutamaan aiheeseen N2:n rakenteesta ja reaktiivisuudesta vastauksen löytämiseksi!

Onko N2 siis poolinen vai pooliton? N2 on pooliton molekyyli sen lineaarisen geometrisen rakenteen vuoksi ja se on kaksiatominen molekyyli. Tämän seurauksena molemmilla atomeilla on yhtä suuri elektronegatiivisuus ja ne jakavat yhtä suuren varauksen, ja koko molekyylin nettodipolimomentti on nolla, mikä tekee siitä poolittoman molekyylin.

Typpi eli N2 on erittäin runsas ja välttämätön kemikaali biologiselle elämälle ja teollisille prosesseille. Typpi muodostaa 78 tilavuusprosenttia hengitysilmasta, jota hengitämme päivittäin, ja sitä esiintyy yhdisteiden muodossa kaikissa elävissä olennoissa.

Typpeä on myös runsaasti teollisuuskemian tuotteissa, kuten lannoitteissa, väriaineissa, nailonissa ja räjähdysaineissa. Yleisimmin kaikki käyttämäsi puhdistusaineet, joissa on ammoniakkia, NH3, on valmistettu molekyylitypestä.

Polariteetti perustuu elektronegatiivisuuteen

Kun atomit muodostavat sidoksia muodostaakseen molekyylejä, voimme määritellä molekyylin napaisuuden tason. Ioniset sidokset siirtävät valenssielektronit kokonaan atomien välillä muodostaen varauksen molemmille atomeille.

Kun esimerkiksi natrium (Na) sitoutuu kloorin (Cl) kanssa, natrium luovuttaa yhden valenssielektroninsa kloorille muodostaen Na+ja Cl-, jotka ovat näiden atomien stabiilein olomuoto.

Keskustelemme kuitenkin kovalenttisista sidoksista, jotka jakavat elektroneja atomien välillä. Näitä sidoksia esiintyy epämetallien välillä, ja kovalenttiset sidokset voivat olla joko polaarisia tai poolittomia.

Kovalenttisten sidosten syntyessä tapahtuu elektronitiheyden siirtyminen atomilta toiselle. Jos atomien elektronegatiivisuudet eivät ole yhtä suuret, elektronit eivät jakaudu tasaisesti, jolloin kumpaankin atomiin muodostuu osittain ionisia varauksia.

Hyvä esimerkki tästä on suolahapon eli HCl:n muodostuminen.

Elektronegatiivisuudet ilmoitetaan tyypillisesti käyttämällesi alkuaineelle, joten ilmoitan ne tässä. Vedyn (H) elektronegatiivisuus on 2,1, kun taas kloorin (Cl) elektronegatiivisuus on 3,0. Mitä korkeampi elektronegatiivisuus on, sitä negatiivisempi atomi on, kun se on stabiili.

Vedyllä on yksi valenssielektroni ja se haluaa kaksi täydentääkseen valenssikuorensa; kloorilla on seitsemän elektronia ja se haluaa kahdeksan täydentääkseen valenssikuorensa. Näin ollen ne jakavat yhden elektroninsa muodostaen kovalenttisen sidoksen.

Kloori kuitenkin vie enemmän elektronitiheyttä, koska sen elektronegatiivisuus on suurempi kuin vedyn.

Tämä tarkoittaa, että kloorilla tulee olemaan osittainen negatiivinen varaus lisääntyneen elektronitiheytensä vuoksi. Vastaavasti vety kehittää osittaisen positiivisen varauksen, koska sillä ei ole elektronitiheyttä.

Tällöin syntyy dipolimomentti, joka ohjaa elektronitiheyttä elektroninegatiivisempaan molekyyliin.

Siten suolahappomolekyyli tulee olemaan polaarinen, koska elektronegatiivisuudet eroavat toisistaan ja molekyylin dipolimomentti on olemassa.

Tässä artikkelissa tarkistetaan HCl:n polaarisuus.

Miksi N2 on ei-polaarinen molekyyli?

Sovelletaan tätä logiikkaa N2:een. Typen atomien elektronegatiivisuus on noin 3,04. Mutta typpikaasussa se on homonukleaarinen molekyyli, eli kaksi samaa atomia on sitoutunut toisiinsa.

Kahden typpiatomin välillä ei olisi eroa elektronegatiivisuudessa, mikä tarkoittaa, että ne jakaisivat elektronitiheyden tasan.

Jos elektronitiheys jaetaan tasan kahden atomin välillä, ei dipolimomenttia voi muodostua. Näin ollen voimme olettaa, että N2 on pooliton.

N2:n Lewis-rakenne

Lewis-rakenne on hyvin yksinkertainen esitys molekyylin valenssi- eli uloimmista elektroneista. Se ei selitä molekyylin geometriaa, mutta se on edistysaskel maantiedon lähestymisessä.

Mutta sen selvittämiseksi, onko N2 polaarinen vai ei-polaarinen, Lewis-rakenne voi paljastaa molekyylin parhaan elektronikoostumuksen.

Typpi kuuluu jaksollisen järjestelmän ryhmään 5A, mikä tarkoittaa, että sen uloimmalla kuorella on viisi elektronia. Yksittäisen typpiatomin Lewis-rakenne on alla.

Typpi, kuten useimmat jaksollisen järjestelmän alkuaineet, noudattaa oktettisääntöä, mikä tarkoittaa, että se haluaa kahdeksan elektronia ulommalle kuorelleen.

Siten se etsii muita atomeja, jotka myös haluavat täyttää oktettisäännön, jotta ne voivat jakaa valenssielektronit. Esimerkiksi ammoniakki on yhdiste, joka koostuu yhdestä typpi- ja kolmesta vetymolekyylistä.

Tarkoitus on luoda elektronipareja: typpiatomin Lewisin rakenteen yläosassa on jo yksi elektronipari tai yksinäinen pari, joten ne eivät ole käytettävissä sidoksiin.

Yksien muiden kolmen yksittäisen elektronin avulla voidaan tehdä kovalenttisia sidoksia tai sidoksia, jotka jakavat elektroneja kahden atomin välillä, toisten atomien kanssa, joilla on yksittäisiä elektroneja.

Vetyllä on yksi elektroni, ja se tarvitsee vain kaksi elektronia täydentääkseen ulkokuorensa; typellä on siis tilaa kolmelle vetyatomille.

Kuten alla näkyy, typellä on nyt kahdeksan elektronia ympärillään, yhden yksinäisen elektroniparin ja kolmen yksittäisen sidoksen muodossa.

Nyt typen oktettisääntö on täydellinen, ja vedyllä on kaksi elektronia, joita tarvitaan täydelliseen valenssikuoreen.

Tästä jää jäljelle ammoniakin Lewis-rakenne, joka vastaa sen molekyylikaavaa NH3. Katso artikkelista NH3:n napaisuus.

Otetaan nyt typen molekyylikaava, N2. Typpi on kaksiatominen molekyyli, mikä tarkoittaa, että vakiolämpötilassa ja -paineessa (1 atm 25 °C:ssa) typpiatomit luonnollisesti sitoutuvat toisen typpiatomin kanssa täyttääkseen molempien atomien oktettisäännön.

Typpi esiintyy tässä perheessä muiden kaksiatomisten molekyylien, kuten hapen, vedyn ja neljän halogeenin (fluorin, kloorin, jodin ja bromin) kanssa. Mikä on siis N2:n Lewis-rakenne?

No, kun muistetaan, että typellä on viisi valenssielektronia, joista kaksi muodostaa yksinäisen parin, niiden on täydennettävä oktettisääntöä sitomalla loput kolme vapaata elektroniaan.

Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, yhden typpimolekyylin yksi elektroni muodostaa yksinkertaisen sidoksen toisen typpimolekyylin toisen elektronin kanssa.

Jotta molemmat typpiatomit täyttäisivät oktettisäännön, kaikki kolme vapaata elektronia muodostavat sidoksia, jolloin syntyy kolmoissidos. Näin ollen typpimolekyyli esiintyy luonnossa kolmoissidoksella, mikä tekee siitä matalaenergisen ja luonnossa vakaan.

N2:n molekyyligeometria

Nyt kun olemme käsitelleet Lewisin rakenteen, voimme tutkia N2:n molekyyligeometriaa.

Molekyylin rakenteen voi tyypillisesti ennustaa Lewisin rakenteen perusteella, mutta Lewisin rakenne voi ohjata meidät valenssikuoren elektronipari-karkotusteoriaan eli VSEPR-teoriaan.

VSEPR-teoria toimii olettaen, että molekyylin geometria minimoi kyseisen atomin valenssikuoren elektronien välisen hylkimisen.

Muista, että elektronit ovat negatiivisia, ja magneettien tapaan ne hylkivät toisiaan, jos ne joutuvat liian lähelle toisiaan, jolloin molekyyliin syntyy rasitus. Haluamme siis minimoida tuon rasituksen.

Tiedämme, että typpikaasu esiintyy kaksiatomisena molekyylinä, ja Lewisin rakenne osoittaa, että vain kaksi atomia osallistuu sen rakenteeseen.

VSEPR-teorian mukaan N2:n ainoa rakenne, jonka se voisi ottaa, on lineaarinen eli vain suora linja. Tämä tarkoittaa, että kaksi atomia ovat toisistaan 180° kulmassa.., kuten alla näkyy.

Tyypillisesti lineaariset molekyylit ovat poolittomia, mutta näin ei aina ole (vrt. suolahappo, fluorivetyhappo, hiilimonoksidi), joten emme voi olettaa N2:n olevan pooliton pelkästään tämän perusteella.

Tämän vuoksi meidän on sukellettava hieman syvemmälle elektronitiheyteen ja elektronegatiivisuuteen, kuten edellä jo todettiin.

Lisäymmärryksen saamiseksi kannattaa käydä läpi myös artikkeli N2:n Lewis-rakenne ja molekyyligeometria sekä hybridisaatio.

Johtopäätös

Typpi yhdisteenä on valtavan yleinen jokapäiväisessä elämässämme. Kaksiatomisena, homonukleaarisena molekyylinä voimme määrittää sen poolisuuden sen rakenteen, geometrian ja elektronitiheyden perusteella.

Havaitsimme, että typpikaasu muodostaa vahvan kolmoissidoksen, on geometrialtaan lineaarinen 180° typpiatomien välillä ja jakaa elektronitiheytensä tasaisesti typpiatomien kesken. Siksi voimme todeta, että typpikaasu on poolitonta.