Är N2 polärt eller opolärt?

Har du någonsin gjort ett experiment där du doppar en blomma i ett kallt ämne och krossar den som glas på ett bord? Det var flytande kväve. Även de livsmedel du äter som kan hålla sig länge har utan tvekan konserverats med kvävgas. När vi tittar på den kemiska strukturen hos N2 är dock en vanlig fråga som en ny kemist kan ha om N2 är polärt eller opolärt. Låt oss utforska några ämnen om N2:s struktur och reaktivitet för att hitta svaret!

Så, är N2 polärt eller opolärt? N2 är en opolär molekyl på grund av sin linjära geometriska struktur och det är en diatomär molekyl. Som ett resultat av detta har båda atomerna samma elektronegativitet och delar en lika stor andel av laddningen och den totala molekylen resulterar i ett dipolmoment på netto noll, vilket gör den till en opolär molekyl.

Nitrogen, eller N2, är en mycket riklig och nödvändig kemikalie för biologiskt liv och industriella processer. Kväve utgör 78 volymprocent av den luft vi andas varje dag, och det finns i sammansatt form i alla levande varelser.

Kväve är också rikligt förekommande i industriell kemi, bland annat i gödningsmedel, färgämnen, nylon och sprängämnen. Det vanligaste är att alla rengöringsmedel som du har använt med ammoniak, NH3, har tillverkats med molekylärt kväve.

Polaritet baserad på elektronegativitet

När atomer bildar bindningar för att skapa molekyler kan vi bestämma vilken grad av polaritet som molekylen kommer att uppvisa. Joniska bindningar överför fullständigt valenselektroner mellan atomer för att bilda en laddning för båda atomerna.

Till exempel när natrium (Na) binder med klor (Cl) ger natrium sin ena valenselektron till klor och bildar Na+och Cl-, den mest stabila formen av dessa atomer.

Hur som helst diskuterar vi kovalenta bindningar, som delar elektroner mellan atomer. Dessa bindningar förekommer mellan icke-metaller, och kovalenta bindningar kan antingen vara polära eller opolära.

När kovalenta bindningar uppstår sker en överföring av elektrontäthet från en atom till en annan. Om atomernas elektronegativitet inte är lika kommer elektronerna inte att delas lika, vilket bildar delvis joniska laddningar på varje atom.

Ett bra exempel på detta är bildandet av saltsyra eller HCl.

Elektronegativitet anges vanligtvis för det grundämne du använder, så jag kommer att ange dem här. Väte (H) har en elektronegativitet på 2,1, medan klor (Cl) har en elektronegativitet på 3,0. Ju högre elektronegativitet, desto mer negativ kommer en atom att vara när den är stabil.

Väte har en valenselektron och vill ha två för att komplettera sitt valensskal; klor har sju elektroner och vill ha åtta för att komplettera sitt valensskal. Således kommer de att dela sin ena elektron och bilda en kovalent bindning.

Hur som helst kommer kloret att ta upp mer elektrontäthet eftersom dess elektronegativitet är högre än vätets.

Detta innebär att kloret kommer att uppvisa en delvis negativ laddning på grund av dess ökade elektrontäthet. Omvänt utvecklar väte en delvis positiv laddning på grund av sin brist på elektrontäthet.

Detta skapar ett dipolmoment, vilket styr elektrontätheten till den mer elektronegativa molekylen.

Följaktligen kommer en saltsyramolekyl att vara polär eftersom det finns en skillnad i elektronegativitet och ett molekylärt dipolmoment.

Här är artikeln för att kontrollera polariteten hos HCl.

Varför är N2 en opolär molekyl?

Låts oss tillämpa denna logik på N2. Kväveatomer har en elektronegativitet på ungefär 3,04. Men i kvävgas är det en homonukleär molekyl, vilket innebär att det är två av samma atomer som är bundna till varandra.

Det skulle inte finnas någon skillnad i elektronegativitet mellan de två kväveatomerna, vilket innebär att de skulle dela elektrontätheten lika mycket.

Om elektrontätheten delas lika mycket mellan de två atomerna kan inget dipolmoment bildas. Därför kan vi anta att N2 är opolär.

Lewisstruktur för N2

En Lewisstruktur är en mycket enkel representation av valenselektronerna, eller de yttersta elektronerna, i en molekyl. Den förklarar inte molekylens geometri, men den är ett steg framåt för att närma sig geografin.

Men för att ta reda på om N2 är polärt eller opolärt kan Lewisstrukturen avslöja molekylens bästa elektronuppsättning.

Väte ingår i grupp 5A i det periodiska systemet, vilket innebär att dess yttersta skal har fem elektroner. Lewisstrukturen för en enskild kväveatom är nedan.

Väte, liksom de flesta grundämnen i det periodiska systemet, följer oktettregeln, vilket innebär att den vill ha åtta elektroner i sitt yttersta skal.

Så kommer den att söka sig till andra atomer som också vill fullfölja oktettregeln, så att de kan dela på valenselektroner. Ammoniak är till exempel en förening som består av en kväve- och tre vätemolekyler.

Målet är att skapa elektronpar: högst upp i lewisstrukturen för en kväveatom finns det redan ett elektronpar eller ett ensamt par, så de är inte tillgängliga för bindning.

De övriga tre enskilda elektronerna är tillgängliga för att skapa kovalenta bindningar eller bindningar som delar elektronerna mellan två atomer, med andra atomer som har enskilda elektroner.

Väte har en elektron och behöver bara två elektroner för att komplettera sitt yttre skal; kväve har alltså plats för tre väteatomer.

Som visas nedan har kväve nu åtta elektroner som omger det, i form av ett ensamstående par och tre enkla bindningar.

Nu är kväves oktettregel komplett, och väte har de två elektroner som behövs för ett komplett valensskal.

Detta lämnar oss med ammoniakens Lewisstruktur, som stämmer med dess molekylformel, NH3. Se artikeln för polariteten hos NH3.

Nu tar vi kväves molekylformel, N2. Kväve är en diatomär molekyl, vilket innebär att vid standardtemperatur och standardtryck (1 atm vid 25 °C) binder kväveatomer naturligt ihop sig med en annan kväveatom för att uppfylla båda atomernas oktettregel.

Kväve existerar i denna familj med andra diatomära molekyler, till exempel syre, väte och de fyra halogenerna (fluor, klor, jod och brom). Så vad är N2:s Lewisstruktur?

Om man kommer ihåg att kväve har fem valenselektroner, där två av dessa elektroner bildar ett ensamt par, måste de komplettera oktettregeln genom att binda sina övriga tre fria elektroner.

Som framgår av figuren ovan kommer en elektron från den ena kvävemolekylen att bilda en enkelbindning med en annan elektron från det andra kvävet.

För att båda kväveatomerna ska uppfylla oktettregeln kommer alla tre fria elektroner att bilda bindningar, vilket skapar en trippelbindning. Således existerar en kvävemolekyl i naturen med en trippelbindning, vilket gör att den har låg energi och är stabil i naturen.

Molekylär geometri för N2

När vi nu har behandlat Lewisstrukturen kan vi utforska den molekylära geometrin för N2.

Du kan vanligtvis förutsäga molekylens struktur från Lewisstrukturen, men Lewisstrukturen kan styra oss till valensskalets elektronparrepulsion, eller VSEPR-teorin.

VSEPR-teorin fungerar utifrån antagandet att en molekyls geometri kommer att minimera repulsionen mellan elektroner i ett valensskal hos den atomen.

Håll dig i minnet att elektroner är negativa, och likt magneter kommer de att stöta bort varandra om de kommer för nära varandra, vilket skapar en påfrestning på molekylen. Så vi vill minimera denna belastning.

Vi vet att kvävgas existerar som en tvåatomig molekyl, och Lewisstrukturen visar att endast två atomer deltar i dess struktur.

Enligt VSEPR-teorin är den enda struktur som N2 skulle kunna anta linjär, eller bara en rak linje. Detta innebär att de två atomerna är åtskilda i en 180° vinkel…, som man ser nedan.

Typiskt sett kommer linjära molekyler att vara opolära, men det är inte alltid fallet (se: saltsyra, fluorvätesyra, kolmonoxid), så vi kan inte anta att N2 är opolär enbart på grund av detta.

För detta måste vi dyka lite djupare in i elektrontäthet och elektroneegativitet, vilket redan diskuterats ovan.

För mer förståelse bör du också gå igenom artikeln om N2 Lewisstruktur och molekylär geometri och hybridisering.

Slutsats

Väte som förening är enormt rikligt förekommande i vår vardag. Som en tvåatomig, homonukleär molekyl kan vi bestämma dess polaritet utifrån dess struktur, geometri och elektrontäthet.

Vi fann att kvävgas bildar en stark trippelbindning, är linjär i geometri med 180° mellan kväveatomerna och delar sin elektrontäthet lika mellan kväveatomerna. Därför kan vi bestämma att kvävgas är opolär.