键的极性与分子的极性Bond Polarity and Molecular Polarity

一股水流为什么会被吸弯？

用毛衣摩擦过的塑料尺靠近一股细细的水流，水流会被吸弯；换成四氯化碳（CCl₄）的液流，却几乎不受影响。水分子和四氯化碳分子都不带电，为什么表现不同？答案在于分子的“极性”。

键的极性

2.3.5 节说过：两个原子的电负性不同，共用电子对就偏向电负性大的一方。

• 同种原子形成的共价键，共用电子对不偏移，叫做非极性键nonpolar bond，如 H–H、Cl–Cl。
• 不同种原子形成的共价键，共用电子对偏向电负性大的原子，叫做极性键polar bond，如 H–Cl、O–H。电负性相差很小的键，如 C–H（相差 0.35），极性很弱，2.3.5 节的粗略规则把它近似看作非极性键；但严格地说，它仍是极性键。

在极性键中，电负性大的一端带部分负电荷，记作 δ−；另一端带部分正电荷，记作 δ+。例如 H–Cl 中，H 一端是 δ+，Cl 一端是 δ−。美国教材还常画一个箭头表示键的偶极dipole：箭头从 δ+ 指向 δ−，尾部加一条短横，看起来像一个“+”号。

分子的极性

如果分子中正电荷的中心和负电荷的中心不重合，分子的一端带部分正电荷、另一端带部分负电荷，叫做极性分子polar molecule；正、负电荷中心重合的叫做非极性分子nonpolar molecule。

分子有没有极性，要同时看两件事：键有没有极性，以及分子的空间结构。每个键的偶极都有大小和方向，分子的偶极是它们的矢量和。

• 双原子分子： 同种原子（H₂、Cl₂）是非极性分子；不同种原子（HCl、HF）是极性分子。
• CO₂： 两个 C=O 键都有极性，但分子是直线形，两个键的偶极大小相等、方向相反，正好抵消，CO₂ 是非极性分子。
• H₂O： 两个 O–H 键有极性，分子是 V 形，两个偶极不能抵消，合起来指向氧的一侧，H₂O 是极性分子。
• BF₃、CH₄、CCl₄： 键都有极性，但分子的形状对称（平面三角形、正四面体形），周围的原子又完全相同，偶极互相抵消，是非极性分子。
• NH₃、CH₃Cl、CHCl₃： 形状不对称（三角锥形），或者周围的原子不相同，偶极不能抵消，是极性分子。

一条好用的经验规律：中心原子上没有孤电子对、周围的原子又都相同，分子一般是非极性的；否则一般是极性的。

分子极性的大小可以用偶极矩dipole moment来衡量，单位是德拜（D）。非极性分子的偶极矩是 0；HCl 是 1.11 D，H₂O 是 1.85 D。

选一个分子，看每个键的偶极（青色短箭头）怎样合成整个分子的偶极（红色长箭头）；再把它放进电场，看会发生什么：

极性的影响

• 在电场中转向： 极性分子在电场中会转向，带部分负电荷的一端朝向正极。开头的水流被带电的塑料尺吸引，就是这个道理；非极性的 CCl₄ 不受影响。
• 相似相溶： 极性溶质一般易溶于极性溶剂，非极性溶质一般易溶于非极性溶剂。NH₃、HCl 极易溶于水；碘（I₂）难溶于水，却易溶于四氯化碳；油不溶于水。
• 分子间作用力： 极性分子之间还有正负两端的相互吸引，这会影响物质的熔点、沸点（2.4.8 节）。

例题 1：CO₂ 和 H₂O

CO₂ 和 H₂O 中的键都是极性键，为什么 CO₂ 是非极性分子，而 H₂O 是极性分子？

例题 2：四氯化碳和三氯甲烷

CCl₄ 是非极性分子，CHCl₃（三氯甲烷，又叫氯仿）却是极性分子。为什么？

常见误区

即时小测

小结

• 同种原子之间是非极性键，不同种原子之间是极性键；极性键中电负性大的一端带 δ−，偶极箭头从 δ+ 指向 δ−。
• 分子的极性由键的极性和空间结构共同决定：键的偶极的矢量和为 0 是非极性分子，不为 0 是极性分子。中心原子没有孤电子对、周围原子都相同的分子一般是非极性的。
• 极性分子在电场中会转向；相似相溶：极性溶质易溶于极性溶剂，非极性溶质易溶于非极性溶剂。