问题

水的极性大还是吡啶的极性大?

回答
好的,咱们来好好聊聊水和吡啶的极性问题,用最直观的方式,尽量像两个化学爱好者在聊天一样,把这事儿说明白。

要说谁的极性更大,总的来说,水的极性要比吡啶大。 别急,我这就给你掰扯掰扯为啥。

首先,咱们得明白什么是“极性”。你可以把它想象成一个分子内部,电荷分布是不是均匀。如果一边有点“正”,另一边有点“负”,就像一个小小的磁铁一样,那这个分子就是有极性的。这个“正负”的来源,其实是原子吸引电子的能力不一样。原子越喜欢“抢”电子,它就带上点“负”的颜色,而电子被抢走的原子,就带上点“正”的颜色。

水 (H₂O) 咱们都熟悉,一个氧原子,连着两个氢原子。氧原子是个“电子怪兽”,特别喜欢抢电子,比氢原子强多了。所以,氧原子那边电子就相对多一点,带点轻微的负电荷(咱们叫“部分负电荷”,用δ⁻表示)。而两个氢原子呢,电子被氧原子抢走了,就带上点轻微的正电荷(用δ⁺表示)。

更关键的是,水分子不是“一字排开”的,那两个氢原子是“歪着”连在氧原子上的,形成一个“V”字形。想象一下,你把负电荷集中在氧原子那儿,正电荷集中在氢原子那儿,这个“V”字形的分子,整个就像一个带了点“偏心”的小棒子,一头是负,一头是正,而且这个“偏心”还挺明显。这就是偶极矩,也就是极性的一个量化表现。水分子有个挺大的偶极矩,所以它的极性很强。

再来看看吡啶。 吡啶这玩意儿,长得像个六边形,跟苯长得很像,只是苯的六个碳原子,吡啶里面有一个被氮原子换了。结构是这样的:C₅H₅N。

和水一样,氮原子也是个“电子抢夺者”,它吸引电子的能力比碳和氢都要强。所以,在吡啶分子里,氮原子那边也容易带上点轻微的负电荷(δ⁻),而旁边的碳原子(尤其是直接连着的)就会带上点轻微的正电荷(δ⁺)。

但是,为什么水的极性会比吡啶大呢? 这里面有几个原因:

1. 原子电负性差异: 氧原子比氮原子更“贪婪”地抢电子。氧的电负性大约是3.44,而氮是3.04。这个0.4的差距,虽然看着不大,但在分子极性上能产生不小的影响。氧原子对电子的吸引力更强,导致水分子内部的电荷分离比吡啶更显著。

2. 分子结构和对称性: 水分子是个“V”字形,而且这个“V”的夹角(大概104.5°)让它的偶极矩能够很好地“叠加”起来,形成一个指向氧原子的净偶极矩。而吡啶虽然也有电荷分离,但它是一个平面六边形结构,而且氮原子在六边形的顶点上。这种环状结构,加上电荷分布的对称性(氮原子和周围的碳原子共同承担电荷分离),使得整个分子的偶极矩相对来说没有水那么“集中”和“明显”。你可以想象,水分子更像是一个小巧但有方向的“磁铁”,而吡啶的“磁性”虽然也存在,但可能没那么集中,有点“散开”的感觉。

3. 氢键形成能力: 水分子由于含有带部分正电荷的氢原子,并且氧原子上有孤对电子,所以它能和另一个水分子形成很强的氢键。氢键是一种分子间作用力,它也跟分子的极性密切相关。正是因为水的极性强,它才能跟其他水分子之间形成强大的氢键网络,使得水在常温下是液体,有很高的沸点和表面张力,这些都是强极性的体现。吡啶虽然也能作为氢键的“受体”(因为氮原子上有孤对电子),但它作为氢键“供体”的能力就弱很多(它的氢原子跟碳原子连着,不够“带正电”)。

举个更形象的例子:

想象你拿两块橡皮泥,一块是红色(代表正电荷),一块是蓝色(代表负电荷)。

水: 你把一块红色橡皮泥和一块蓝色橡皮泥捏在一起,然后把蓝色橡皮泥放在一边,把两块红色橡皮泥“掰”开一点,往蓝色那边靠拢。这样,蓝色那一坨就显得特别“重”,红色那一坨就显得特别“轻”。这就像水分子,氧原子(蓝色)这边电荷“堆积”得更厉害,氢原子(红色)那边电荷就相对“稀疏”。而且,你把这两个“重”和“轻”的点分开一点,中间有个角度,整个“偏心”就更明显了。

吡啶: 你有个六边形,其中一个顶点是氮原子(代表蓝色),其他顶点是碳原子(其中一些也因为氮而带点红色)。氮原子也比其他碳原子“吃”电子,但这种“吃”可能没那么极端,而且这种“偏心”分布在整个六边形结构中,没有水那种“V”字形那么集中。

总结一下, 水因为氧原子更高的电负性,以及“V”字形的分子结构,导致分子内电荷分离更显著,偶极矩更大,所以极性更强。吡啶的极性虽然也存在,主要体现在氮原子吸引电子,但由于结构和电负性差异的因素,它的极性表现不如水那么突出。

当然,说到“极性大”也要看具体的对比和应用场景。但在一般意义上,人们会说水是极性非常强的分子,而吡啶虽然也极性,但相比之下,水的极性更大。

希望这么说能让你觉得更明白,也够“接地气”的了!

网友意见

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还是我的风格,先评价一下这个问题。问的好,因为要回答这个问题要涉及到几个基本的概念。有的人说,“这个问题还不容易?我一看就知道是水”,其实问题本身看起来不复杂,要真的回归极性的定义,解释清楚还真不容易,你看本问题下的其他几个回答,八仙过海各显神通。

如果就极性的定义来说,介电常数可以表征极性的大小,按照下面表格里的数据,水的极性(ε = 80.1)应该会远大于吡啶的极性(ε = 12.4),先看看极性和介电常数的定义吧,直接上英文了

Polar: A structure having an uneven distribution of electron density. A structure in which electron density is more or less evenly distributed is called nonpolar.

极性:分子结构的不对称电子云分布。如果一个分子结构或多或少有不对称的电子云分布被称为极性。

Dielectric constant (ε): A measure of a substance's ability to insulate charges from each other. Taken as a measure of solvent polarity, higher ε means higher polarity, and greater ability to stabilize charges. Not the same as a dipole moment.

介电常数(ε):表征物质屏蔽电荷的能力,越小表示屏蔽电荷能力越强,还有个概念叫做相对介电常数,学过物理的知道相对介电常数是介电常数除以真空介电常数。介电常数可以用来表征溶剂的极性,介电常数越大,极性越高,分子稳定电荷能力越强,不要和偶极矩混淆。

虽然根据定义,水分子的介电常数比较大,所以极性比较强。但是细心的人已经观察到了,表格中吡啶的偶极矩(2.37)反而大于水分子(1.82)。那么该如何解释呢?

回来之后发现已经有人把答案给说了哈:

@MichaelBishop

根据偶极矩定义,是和分离电荷能力有关,所以正负电荷中心相距大也会让偶极矩变大。偶极矩是个微观定义,而介电常数是宏观定义,还和液相下分子间作用力有关。

他说得很清楚,这里我再补充说几点:

  1. 介电常数受分子偶极矩在液体中的排布或方向性的影响。
  2. 上面提到了介电常数除了和微观分子偶极矩有关,还和液相中分子作用力有关。由于水分子中存在氢键,而氢键会给介电常数带来加成作用,吡啶没有氢键作用,所以说水分子介电常数会远远大于吡啶。
  3. 为啥氢键会带来加成呢?简单来说是因为氢键使得分子排布更加规律(great ordering),进而导致更大的极化作用(larger net polarization),从而导致的加成。

由于Michael提到了微观和宏观,另外还有一些概念性的问题我还想在这补充一下:

  • 微观单个分子对于电场作用的响应和偶极矩(dipole moment, μ0以及极化率(polarizability有关。而极化率其实和诱导偶极矩(induced dipole)有关,之前有详细解释过,感兴趣的同学请看我之前的回答:
  • 宏观物质物质对于电场作用的响应和电极化系数(极化率的宏观对应量翻译得可能不对,英文是susceptibility,χe)介电常数dielectric constant, ε)有关。

下面放上极化率和电极化系数的关系,下面这个公式很有意思,因为它把宏观的susceptibility,dielectric constant和微观的polarizability联系了起来。


昨天答完之后有同学说这个问题没挑战性,一眼看上去就知道是水,做有机合成的会有这个感觉很正常,但是回答问题并不是挑有难度的回答,越难越有挑战性答完越有成就感。但就教学和科普的角度来说恰恰相反,能从简单的问题出发,把一系列相关概念解释清楚,这样才对大家有帮助。

然后有新增回答提出异议,说他们教材上说吡啶极性比水大啊,首先我先承认,并没读过那本教材,我也不是医药相关专业的,然后教材上那么说一定有它的理由和reference,具体理由不清楚啊,可能那本教材是参考的dipole moment的数据?

虽然说以上我已经解释了很多,肯定不是完美解答,但至少我有很多可靠数据和理论来源。我又查到了另外一个reference,来源是罗彻斯特大学化学系(Rochester University)的一个资料库(它的来源是一本Wiley出版的有机教材,见reference),以下是相对极性的数据表格,当然也是support我的观点的: 从黄色到绿色到蓝极性逐渐增加,吡啶pyridin(0.302),水water(1)

Reference:

  1. Physical Characteristics of Solvents* Solvent

2. chem.ucla.edu/~harding/

3.“Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry,” Christian Reichardt onlinelibrary.wiley.com


以上我都是定性分析啊,Endorse一下 @千张的回答,看了他她?的主页,是专业搞量化计算的。是我这个的补充回答,定量的用DFT(Density Functional Theory)分别计算出了水分子和吡啶分子的偶极矩四极矩(Quadrupole)MPI静电势分布,小伙伴们一定要看一下虽然说DFT算出来的数据不一定百分百准确(B3LYP算小分子准确率还可以),但是仍然是一个很重要的参考,大家发paper时基本都会算一个。

果然在知乎上回答几个问题就可以炸出一堆同行大神,手动狗头。


另外看到好几个新的回答,都说的很好啊,其中 @Triborg 的回答就对我们化学从业者提出了很高的要求,他思考的高度已经超出了这个问题本身了。 @龙草 总结的很全面,极性各方面的应用解读,针对不同的应用来说,极性的排序方式就不同,虽然说不同的应用而言极性的大致排序是一致的,也是要具体问题具体分析,没有放之四海而皆准的一个指标来定义极性。


最后的最后茶艺课老师没教过你绿茶要用水泡吗?有用吡啶泡绿茶的吗?

最后放两张抖音小姐姐的茶艺课学习照,侵删

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“溶剂的极性”是一个宏观的化学概念,和“偶极矩”并不完全对应。从化学直觉上考虑,肯定是水的“极性”大。至于吡啶的偶极矩比水大,也有一个很直观的理解:吡啶分子比水分子大得多了。偶极矩是“电荷分离程度”和“电荷分离距离”的乘积。吡啶分子比水大得多,而其偶极矩只比水分子大一点,那其实反而说明它的电荷分离程度比水小很多。这在 @千张 给出的电势分布图上也可以很容易的看出来。一个具有非常长链的醇分子可能比水分子具有大得多的“偶极矩”,但你觉得它会比水的极性大得多吗?

(谁比较闲的话,也许可以水、甲醇、乙醇……再加上各种取代一路算下去)

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