Bond Polarity & Molecular Polarity

上次講完Molecular geometry之後可能好多同學都唔知有咩用，所以今次講埋共價鍵的極性(Bond polarity)和分子極性(Molecular polarity)之後大家應該會有多少少idea。不過要講呢D概念之前要先學咩野係電負性(Electronegativity)。

非金屬原子之間為了變得穩定就要組成共價鍵，鍵內的電子理應是兩粒原子之間平均分配，但事實上要視乎該原子的電負性。電負性就是指某原子核(nucleus, positively-charged)對成鍵電子(Bond electron, negatively-charged)的吸力有多強。不難想像，原子越細，Nucleus和bond electrons距離越近，吸力自然越強，所以在元素週期表中的元素週期越細(位置越高)，原子越細(因為較少電子層)，所以電負性就越高。

同樣道理，族越大、原子越細、所以電負性就越高。因此在表上右上角的氟(Fluorine)電負性最高(3.98)，而在左下角的銫(cesium, Cs)的電負性則最低(0.79)。以下是週期表展示常見元素的電負性︰

Bond Polarity

以下面的分子為例，如果原子A和原子B的電負性一樣(即同一元素的原子)，bond electrons就自然分佈在兩粒原子之間，所以A和B之間的共價鍵是非極性鍵(non-polar bond)︰

Hydrogen molecule就是其中一例，因為當中的共價鍵是由兩粒相同的原子組成，所以Bond electrons平均分佈於兩個原子之間，因此是non-polar bond︰

但如果原子B的電負性較大，Bond electron就被「拉」近到B，令B的電子密度變大，所以它帶負偶極(Partial negative charge, δ-)；而A的電子密度變細，所以它帶正偶極(Partial positive charge, δ+)，所以A和B之間的共價鍵是極性鍵(polar bond)︰

用HCl為例，由於當中的共價鍵由兩粒不同的原子組成，所以Bond electrons會移向電負性高的原子(Cl)，因此這個共價鍵是polar bond︰

呢度之所以要加Partial係positive/negative charge前面係因為該原子的電荷很少，比起ion因得到/放出一整粒電子而形成的電荷細得多，只是介乎在零至一之間。

同學可在Polar bond旁加上一箭咀(永遠由正指向負)來有效展示Bond polarity及分析Molecular polarity。(這個箭咀在化學上稱為dipole，在DSE不會考，但不要在考試中提及dipole等字眼)

總結黎講，同學要判斷一個鍵是否帶極性就視乎兩粒原子是否一樣即可。原子一樣就組成Non-polar bond；原子不一樣則組成polar bond。在Polar bond中電負性高的原子帶partial negative charge；電負性低的原子帶partial positive charge。

Molecular Polarity

最後就睇晒成個分子是屬於polar molecule(即分子中的電子偏向其中一邊，所以一邊帶正、另一邊帶負)或Non-polar molecule(分子中的電子平均地分佈在每一邊)。如果分子帶有極性鍵而且不能互相抵消則為Polar molecule；如果分子沒有任何極性鍵，或帶有極性鍵但因分子對稱而令微電荷互相抵消則為Non-polar molecule。所以分辨一個分子是Polar還是non-polar的流程如下︰

相信同學閱讀完以上文字都唔會太知我講咩，所以都係繼續睇落去啦︰

Case 1: Water H₂O

1.          呢個分子由兩款唔同既元素(H & O)組成，所以可以係polar molecule

2.          先畫出水分子的形狀，Central atom O有兩組bond pairs & lone pairs，所以分子形狀是V-shaped。

3.          找出分子的Polar bonds。在水分子中有兩個polar bond: O-H bond。因為O的電負性比H大，所以H和O分別是Partial +ve charge & partial –ve charge。在鍵旁邊加上箭咀，其方向就由帶正的H指向帶負的O。

4.          由於左右兩個dipole不能互相抵消(分子的O帶負、2個H帶正)，所以H₂O是polar molecule︰

Case 2: Carbon dioxide CO₂

1.          呢個分子由兩款唔同既元素(C & O)組成，所以可以係polar molecule

2.          畫出二氧化碳分子的形狀，Central atom O只有兩組bond pairs，所以分子形狀是linear。

3.          找出Polar bonds。這個分子有兩個polar bond: C=O bond。因為O的電負性比C大，所以C和O分別是Partial +ve charge & partial –ve charge。而顯示Bond polarity的箭咀方向就由帶正的C指向帶負的O。

4.          由於分子對稱，左右兩個dipole互相抵消，所以CO₂是non-polar molecule︰

得字眼上既解釋係差左D既，所以呢度又想介紹大家玩Chemical model。今次是Molecular Polarity︰

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/molecule-polarity

一開始就係[Two Atoms]版本，大家先玩呢個。你可以係右邊set左View做Partial Charges、Surface揀Electrostatic Potential、Off左Electric Field之後就可以調校Atom A同B的Electronegativity。如果electronegativity高d個粒atom就會紅d同埋有δ-(Partial negative charge)、另一邊就會藍色而帶有+(Partial positive charge)。最後可以係右邊開埋個Electric field，當轉個polar molecule或改變Atom A/B的Electronegativity之後就會令帶負的一邊轉向正極一方，反之亦然。

(Bond dipole即是指向共價鍵較負的一邊、Bond character旨在解釋covalent和ionic bond之間的關係在於兩粒atoms之間electronegativity的大小。雖然DSE不用考，不過都可以了解多D。如果有唔明都歡迎問我。)

玩夠皮之後就可以轉去玩Real Molecules。同上段Setting差不多，不過Partial charges會轉為一些正或負的數字，代表正負極位置。跟住順手開埋Atom Electronegativities，大家就會注意到Electronegativity較大的Atom會帶負。

大家可試推斷以下分子是Polar molecule還是non-polar molecule，答案在下次講解DSE試題時公佈。

1. BF₃

2. CH₄

3. NH₃