Onko H2O polaarinen vai ei-polaarinen?

Vesi eli H2O on kemiallisista alkuaineista Vety ja Happi koostuva aine, jota esiintyy kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä olomuodossa. Sitä on saatavilla runsaasti monissa yhdisteissä esiintyvänä välttämättömänä alkuaineena. Oppilaiden keskuudessa herää usein kysymys, onko H2O (vesi) poolinen vai pooliton. Vastaan siis tähän kysymykseen yksityiskohtaisesti tässä artikkelissa.

Onko H2O siis poolinen vai pooliton? Kyllä, vesi (H2O) on poolinen. Tämä johtuu vesimolekyylin taivutetusta muodosta, jonka vuoksi vesimolekyyliin osallistuvien vety- ja happiatomien varaukset jakautuvat epätasaisesti. Siksi vesimolekyylillä on nettodipolimomentti.

Huoneenlämmössä mauttomana ja hajuttomana nestemäisenä yhdisteenä vedellä on erityisominaisuus liuottaa runsaasti muita aineita monipuolisena liuottimena, joka on välttämätön maailman eläville olennoille.

Vesiliuokset ovat olleet elintärkeitä sivilisaation synnyssä, koska kaikki elävät organismit ovat riippuvaisia vesiliuoksista, kuten verestä ja ruuansulatuskanavan mehuista, biologisissa prosesseissa.

Vesi näyttää pieninä määrinä värittömältä, mutta sillä sanotaan olevan sinistä väriä, kun se altistuu vähäiselle valon absorptiolle punaisella aallonpituudella.

Ollessaan polaarinen molekyyli, vedellä voi olla ainutlaatuisia fysikaalisia ominaisuuksia, kuten korkea kiehumispiste, ominaislämpökapasiteetti, pintajännitys ja liuotinominaisuudet.

Tässä keskustelemme siitä, onko vesi polaarinen vai ei-polaarinen, ja mikä tekee siitä mitä tahansa.

Mitä ovat pooliset ja poolittomat molekyylit

On olemassa erityyppisiä sidoksia, jotka yhdistävät kaksi tai useampia atomeja muodostaen ioni-, kovalentti-, vety- ja metallityyppisiä molekyylejä tietyissä olosuhteissa. Kaksi erikoisinta ja vahvinta sidostyyppiä ovat ionisidokset ja kovalenttiset sidokset.

Ionisidokset muodostuvat, kun vastakkaisen varauksen ja merkin omaavat atomit vetävät toisiaan puoleensa luodakseen neutralisoituneita molekyylejä.

Kovalenttiset sidokset muodostuvat olosuhteessa, jossa atomit pystyvät jakamaan elektroneja luodakseen molekyylejä. Kovalenttiset sidokset voivat olla yksi-, kaksois- tai kolmoissidoksia atomien kesken jaettujen elektronien lukumäärän perusteella.

Kovalenttiset sidokset voivat muodostaa poolisia tai poolittomia molekyylejä. Polaarisia sidoksia muodostuu, kun kaksi molekyyliä luodaan käyttämällä kovalenttista sidosta.

Elektronitiheys muuttuu myös, kun kaksi atomia suorittaa elektronien jakamisen keskenään. Kun elektronien jakamisessa on epätasa-arvoa, atomeihin nousee osittainen ionivaraus.

Erityisesti näin tapahtuu, kun elektronegatiivisuuden arvoissa on suuri ero. Osittaisten ionivarausten muodostumisen vuoksi molekyyleistä tulee polaarisia molekyylejä, joiden toinen puoli on erittäin positiivisesti varautunut ja toinen puoli erittäin negatiivisesti varautunut.

Molekyylejä, jotka muodostuvat käyttämällä tasavertaista kovalenttista sidosta elektronien jakamiseen, joissa ei ole ionivarausta ja joissa elektronien jakaminen on symmetristä, kutsutaan poolittomiksi molekyyleiksi. Tämä tapahtuu sellaisten atomien välillä, joilla on samanlainen elektronegatiivisuus.

Jos varauksia ei ole runsaasti, varaukset tasapainottavat toisiaan. Monet kaasut, kuten vety, helium, happi, hiilidioksidi ja typpi, ovat joitakin erityisiä esimerkkejä poolittomista molekyyleistä.

Onko vesi (H2O) polaarinen vai ei-polaarinen molekyyli

Vesi on polaarinen molekyyli, koska se muodostuu vahvasti elektronegatiivisesta happiatomista, joka vetää puoleensa vetyatomiparia ja omaa lievästi negatiivisen varauksen.

Veden polaarisuus riippuu pääasiassa molekyylin muodostavista atomeista ja niiden sijoittelusta keskeisen atomin ympärille. Polaarisilla molekyyleillä on taipumus vetää puoleensa vesimolekyylejä erityisesti vetysidoksen kautta.

Neistä tulee todellisuudessa veteen liukenevia, koska ne kilpailevat menestyksekkäästi vesimolekyylien välisten vetysidosten avulla.

Epäpolaarisilla ryhmillä ei ole suotuisia mahdollisuuksia vuorovaikutukseensa veden kanssa, minkä vuoksi niitä ei oteta mukaan vesipitoiseen ympäristöön. Tätä kutsutaan yleisesti hydrofiseksi vaikutukseksi.

Veden molekyylit hyödyntävät poolittoman aineen rajapintaa luodakseen mahdollisimman paljon vetysidoksia toisten vesimolekyylien kanssa, koska poolittoman aineen kanssa ei ole mahdollisuutta muodostaa niitä.

Tämä on myös syy siihen, miksi veden vierekkäinen entropia on pienempi kuin poolittomien yhdisteiden.

Mikä tekee vedestä polaarisen molekyylin

Veden molekyylien polaarisuus ilmentää monia ainutlaatuisia fysikaalisia ominaisuuksia. Yksi erikoisimmista syistä siihen, että vesi on polaarinen molekyyli, on sen taivutettu muoto.

H2O-molekyylin O-H-sidosten välinen sidoskulma on noin 104,5 astetta.

Happiatomin kaksi yksinäistä paria aiheuttavat yksinäisen parin ja sidosparin välisen hylkimisen, jonka vuoksi H2O:lle muodostuu taivutettu muoto. H2O-molekyylin geometrinen rakenne on ei-tasomainen.

Merkittävä osa vesimolekyylin lievästi negatiivisesta varauksesta ja positiivisesta varauksesta jää muodon vuoksi molekyylin toiselle puolelle.

Tätä pidetään merkittävänä esimerkkinä polaarisesta kovalenttisesta kemiallisesta sidoksesta vesimolekyyleissä.

Selityksenä hiukkasen olotila ei ole välitön ja pooliton (esim, kuten CO2) johtuu vedyn ja hapen elektronegatiivisuuden erosta. Vedyn elektronegatiivisuusarvo on 2,1, kun taas hapen elektronegatiivisuusarvo on 3,5.

Mitä vähäisemmäksi elektronegatiivisuuden välinen ero jää, sitä varmemmin atomit muodostavat kovalenttisen sidoksen. Valtava ero elektronegatiivisuuden välillä hakee voidaan toteuttaa ionisidoksilla.

Vety ja happi osoittavat kumpikin ei-metallien ominaisuuksia normaaliolosuhteissa, happi osoittaa kuitenkin huomattavan paljon enemmän elektronegatiivisuutta kuin vety, joten nämä kaksi hiukkasta rakentavat kovalenttisen yhdisteen sidoksen, joka on kuitenkin polaarinen.

Korkean elektronegatiivisuuden omaava happea sisältävä happea sisältävä happimolekyyli vetää puoleensa elektroneja eli negatiivista varausta, mikä tekee hapen ympärillä olevasta vyöhykkeestä negatiivisemman alueen, kuin vyöhyke, joka ympäröi kaksi vetyatomia.

Vetymolekyylien sähköpositiiviset segmentit taipuvat hapen kahden täytetyn orbitaalin kanssa.

Fundamentaalisesti molemmat vetymolekyylit vetäytyvät happiatomin samankaltaiselle puolelle, mutta ne ovat kuitenkin niin kaukana toisistaan kuin ne voivat olla sillä perusteella, että molemmilla vetyatomeilla on positiivinen varaus.

Taivutettu muoto on tasapaino vetovoiman ja hylkimisen välillä molekyylejä muodostettaessa.

Veden jokaisen vedyn ja hapen välisen kovalenttisen sidoksen ollessa polaarinen voidaan vesimolekyyli tunnistaa sähköisesti neutraaliksi molekyyliksi.

Jokaiseen vesimolekyyliin sanotaan kuuluvan 10 protonia ja 10 elektronia, jolloin nettovarauksen suuruus on 0.

Paremman ja yksityiskohtaisemman ymmärryksen saamiseksi kannattaa tutustua myös artikkeliin H2O:n Lewis-rakenne, molekyyligeometria ja hybridisaatio.

Veden polaarisuus & Sen vaikutukset fysikaalisiin ominaisuuksiin

Veden polaarisuus osoittaa monia vaikutuksia sen molekyylien fysikaalisiin ominaisuuksiin, ensisijaisesti liuotinaineominaisuuksiin.

Alunperin veden polaarisuus selkiytyy sen liukeneviin ominaisuuksiin. Esimerkki vedestä nesteenä on varustettu erilaisten ionisten yhdisteiden, kuten suolojen, polaaristen orgaanisten yhdisteiden eli etanolin (likööri) ja happojen liuottamiseen.

Polaariset vesimolekyylit soveltavat vetoa mihin tahansa yhdisteisiin tai muihin polaarisiin molekyyleihin vetämällä ne irti suuremmasta rakenteestaan ja liuottamalla ne.

Sen vuoksi, että vesi pystyy nopeasti hajottamaan ionisia yhdisteitä, se voi toimia tehokkaana sähkönjohtimena.

Säännöllisistä tosiasioista ja keskusteluista huolimatta puhdas vesi tunnistetaan edelleen tehottomaksi sähkönjohtimeksi.

Viimeistään siinä vaiheessa, kun vesi hajottaa pienen määrän ioniyhdistettä (kuten pöytäsuolaa), se muuttuu kuitenkin sähkönjohtimeksi. Lähes jokainen elävä olento on riippuvainen veden liukenevista kyvyistä selviytyäkseen.

Veden polaarisuus sallii sen lisäksi osallistua poikkeukselliseen eräänlaiseen molekyylien väliseen ominaisuuteen luoda sidoksia, joita kutsutaan vetysidoksiksi.

Vetysidoksia muodostuu, kun vety kiinnittyy etenevästi elektronegatiiviseen alkuaineeseen, kuten happeen, typpeen tai fluoriin, ja se on toisen polaarisen molekyylin tai yksittäisen elektroniparin näkökentässä.

Vesimolekyylien positiivisesti varautunut vetysidos vetää puoleensa negatiivisesti varautunutta happea muodostaen osittaisen sähköstaattisen sidoksen eri vesimolekyylien välille.

Yksittäinen vesimolekyyli voi osallistua jopa neljään vetysidokseen vierekkäisten vesimolekyylien kanssa.

Koska kahden varautuneen kappaleen välinen sähköstaattinen vetovoima on verrannollinen niiden väliseen etäisyyteen niiden välisen etäisyyden neliön kanssa, sidosten voimakkuus lisääntyy, mitä lähemmäs vetyatomi pääsee vierekkäistä vesimolekyyliä.

Koska vetyatomit ovat kooltaan pieniä, ne voivat päästä hyvin lähelle viereisiä happiatomeja ja muodostaa yleensä kiinteitä sähköstaattisia sidoksia.

Johtopäätös

Jokainen vesimolekyyli vetää puoleensa muita molekyylejä niiden vastakkaisten varausten ja polaaristen molekyylien tai ionien vuoksi, jotka koostuvat erilaisista biomolekyyleistä, kuten sokereista, nukleiinihapoista ja joistakin aminohapoista.

Polaarinen molekyyli sitoutuu vuorovaikutuksellisesti veteen tai liukenee veteen, tällaisia molekyylejä kutsutaan nimellä hydrofiiliset.

Ei-polaariset molekyylit sen sijaan eivät ole vuorovaikutuksessa veden kanssa ja pitävät ne erillään toisistaan pikemminkin liuenneina veteen, jolloin niitä kutsutaan hydrofobisiksi.

Sen vuoksi, että vesi on kahden vetyatomin ja yhden happiatomin muodostama yhdiste, sen elektronegatiivisempi happiatomi tekee siitä polaarisen molekyylin ja se osoittaa epäsymmetristä vetovoimaa molekyyliin osallistuviin elektroneihin.

Veden monitilakäyttäytymistä vakioivat erityisesti polaarisuus ja vetysidokset. Se on ainoa tunnettu yhdiste, joka esiintyy kaikissa kolmessa olomuodossa eli kiinteässä, nestemäisessä ja kaasumaisessa muodossa jopa vakioympäristössä.

Sen vuoksi, että vesi on polaarinen molekyyli, sillä on vetysidoksia, joilla on suhteellisen vakaa fysikaalinen olemassaolo laajalla lämpötila- ja paineolosuhteiden alueella.

Lisäksi vetysidosten olemassaolo osoittaa, miten vesi osoittaa tilavuuden laajenemista, kun se muuttuu jääksi tai myytyyn muotoon jäätymisprosessin kautta.

Monien yhdisteiden tiheys kasvaa, kun ne muuttuvat kiinteään muotoon jäätymällä jäähtymällä jäähdytyksen kautta, mutta veden tapauksessa, kun se on jäähdytetty 4 celsiusasteeseen, se alkaa laajeta.

Veden liikkuvien molekyylien paisuminen tekee vetysidosten muodostumisen yksinkertaisemmaksi ja järjestää yhdisteen molekyylit kiderakenteeseen.

Voidaan päätellä, että jähmettyneestä vedestä otetun näytteen tilavuus laajenee noin 9 %, joten limsatölkki voi mahdollisesti räjähtää, kun sitä säilytetään pakastimessa.

Kuten aiemmissa osioissa käsiteltiin, sen polaarisuus osoittaa sen ainutlaatuisia ja erityislaatuisia ominaisuuksia, jotka luovat myös monia edullisia vaikutuksia eläville olentoja ajatellen.