קוטביות (כימיה)

קוטבּיות (בלועזית: פּוֹלאריוּת, polarity) היא תכונה של קשרים כימיים, המתארת את חלוקת המטען החשמלי בין שני האטומים המשתתפים בקשר. בקשר בעל קוטבּיות גבוהה, רוב המטען מרוכז ליד אחד מהאטומים בקשר. לעומת זאת, כאשר המטען החשמלי מתחלק באופן שווה בין האטומים בקשר, הקשר אינו קוטבּי.

מולקולת מים: באדום - מטען שלילי חלקי, בכחול - מטען חיובי חלקי. אטום החמצן האלקטרושלילי מושך אליו את האלקטרונים בחוזק רב יותר מאטומי המימן, וכך נוצרת הקוטביות במולקולת המים

משתמשים במילה גם לתיאור מולקולות מרובות אטומים בהן המטען החשמלי מרוכז בצדדים נגדיים של המולקולה, כך שהמולקולה כולה מתנהגת כדיפול זעיר.

דרישות להיווצרות הקשר

חלוקת המטען על המולקולה היא תוצר של שני קשרים אפשריים.

אפקט הקוטביות בקשר יוני

בקשרים יוניים אשר נוצרים בין אל מתכות למתכות נוצרים הפרשי אלקטרו-שליליות בין שני אטומים, הגדולים מ-1.7. שני הקטבים מתחלקים באופן שוויוני באלקטרונים, שכן שניהם זוכים לייצר רמת ערכיות הדומה ביותר לגז אציל. בקשר כזה נוצרת חלוקה ברורה של המטען, קוטב חיובי (קטיון) וקוטב שלילי (אניון). הקוטביות של המערכת משפיעה על היווצרות דיפול (דו-קוטב) חיובי (δ+) ושלילי (δ-) על המולקולה וכך לקבוע את היכולת שלה להתמוסס.

קשר קוולנטי קוטבי

קוטביות בקשר קוולנטי תלויה בשני משתנים.

הראשון הוא קוטביות בעקבות קשר בין מולקולרי, כלומר קשר בין שני אטומים, על פי רוב אל מתכות, אשר ההפרש של האלקטרושליליות שלהם היא בין 0.3 ל-1.7. קשר זה מהווה את רוב הקשרים שבין שני אטומים שונים שכן לבד ממספר אטומים בעלי אלקטרושליליות דומה כמו אשלגן ורובידיום אין כמעט אטומים בעלי אלקטרו-שליליות זהה (או שהפער בין האלקטרו-שליליות שלהם קטן מ-0.3 ואינם יונים).

שני האטומים חולקים ביניהם את האלקטרונים אולם מאחר שהאטום האלקטרו-שלילי בעל משיכה חזקה יותר של אלקטרונים, המטען חשמלי השלילי אשר שורר סביבו הוא ממושך יותר ביחס לאטום השני. במילים אחרות, המטען האלקטרוני אשר נמצא סביבו אינו מוחלט כיוון שהאלקטרונים נמצאים לפרקים אצל האטום השני, להבדיל ממטען המצוי ביונים. לעומת זאת, סביב האטום בעל אלקטרושליליות פחותה, שורר מטען חשמלי חיובי למשך פרקי זמן ארוכים יותר. האלקטרונים שעוזבים לעיתים קרובות אטום זה מורידים את רמת המטען השלילית סביב האטום ומחזקים את המטען של פרוטונים בגרעין.

המשתנה השני הוא המבנה המרחבי של המולקולה אשר יכול להשפיע על חלוקת המטען. למשל המולקולה $CH_{4}$ על אף הקוטביות הבין מולקולרית (1.7>2.55-2.20>0.3) בשל היותה מולקולה סימטרית אין בה קוטביות. ישנם מבנים שתמיד פוגעים בקוטביות, וישנם מבנים אשר תלוים באטומים הקשורים לאטום המרכזים. אם האטומים הקשורים לאטום המרכזי זהים, אזי אין קוטביות.

1. מבנה קווי - תלוי: אין קוטביות אם האטומים זהים. פחמן דו-חמצני, למשל, היא מולקולה בעלת מבנה קווי (O=C=O). הקשר שנוצר אצלה הוא קוטבי שכן ההבדל באלקטרושליליות בין חמצן (3.44) לבין פחמן (2.55) הוא 0.89 שנמצא בתחום שבין 0.3-1.7. למרות זאת, המולקולה אינה קוטבית, שכן המטען השלילי סביב החמצן הימני מאוזן על ידי המטען השלילי סביב החמצן בצד שמאל.
2. מבנה זוויתי (או מבנה מכופף) - תמיד יכול לפגוע במערכת בשל זוג אלקטרונים בלתי קושרים או שניים של האטום המרכזי.
3. מבנה משולש מישורי - תלוי, אינו קוטבי אם האטומים הקשורים לאטום המרכזי זהים, למשל BH₃ אינו קוטבי.
4. פירמידה - מבנה קוטבי, למשל אמוניה, NH₃ קוטבית.
5. טטראדר (או ארבע פינתי) - אין קוטביות אם האטומים הקשורים לאטום המרכזי זהים.

חשיבות

מבנים מרחבים

אטומים בעלי מטען חלקי שלילי נמשכים, בהתאם לחוקי האלקטרוסטטיקה, לאטומים בעלי מטען חלקי חיובי. לתופעה זו השלכות רבות. בעזרת הבנה וזיהוי של קוטביותם של קשרים ניתן לחזות את המבנה התלת-ממדי של המולקולה, את תכונותיה הפיזיקליות (נקודת התכה, רתיחה וכו') ואת נטייתה להגיב עם מולקולות אחרות.

דוגמה שכיחה למשיכה בין מולקולות קוטביות היא קשרי מימן. בין מולקולות לא-קוטביות קיימים קשרים אחרים, אשר אינם מבוססים על קוטביות, כמו קשרי ואן דר ואלס.

מסיסות במים

הפירוש של המושג חומר הידרופילי, במקור, הוא חומר המתמוסס בצורה טובה במים. חומרים קוטביים בדרך כלל מתמוססים היטב בחומרים קוטביים אחרים. היות שהמים קוטביים, הרי שרוב החומרים הקוטביים מתמוססים בהם בצורה טובה, אולם ישנם יוצאי דופן, דוגמת פולימרים ממשפחת הטפלון. הידרופילי, אם כן, הפך במשך הזמן שם נרדף לקוטבי, אם כי מבחינה כימית אין חפיפה מוחלטת בין שני המושגים. באופן דומה, חומר הידרופובי הפך שם נרדף לחומר לא-קוטבי.

ראו גם

• דיפול

קישורים חיצוניים

• קוטביות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)