Miksi hiilivety on pooliton?

Hiilivetyjen poolittomuuden syvällisempi tarkastelu

Hiilivedyt, orgaaniset yhdisteet, jotka koostuvat pelkästään hiili- ja vetyatomeista, ovat tunnetusti poolittomia molekyylejä. Tämä ominaisuus on ratkaisevan tärkeä niiden fysikaalisille ja kemiallisille ominaisuuksille, ja sen ymmärtäminen vaatii tarkempaa tarkastelua hiili-hiili- ja hiili-vety-sidosluonteeseen sekä molekyylien symmetriaan.

Poolisuus syntyy molekyylissä, kun elektronitiheys jakautuu epätasaisesti atomien välille. Tämä johtuu atomien elektronegatiivisuuserosta: elektronegatiivisempi atomi vetää elektronipilveä enemmän puoleensa, luoden osittaisia varauskeskittymiä (δ+ ja δ-). Veden (H₂O) tapauksessa happiatomin korkea elektronegatiivisuus vetää elektronitiheyttä vahvemmin puoleensa kuin vetyatomit, jolloin happiatomi saa osittaisen negatiivisen varauksen (δ-) ja vetyatomit osittaisen positiivisen varauksen (δ+). Tämä aiheuttaa dipolihetken, eli poolisuuden.

Hiili-hiili-sidosten tapauksessa elektronegatiivisuusero hiiliatomien välillä on käytännössä olematon, sillä hiiliatomilla on sama elektronegatiivisuus. Täten hiili-hiili-sidos on lähes täysin pooliton. Hiili-vety-sidoksissa elektronegatiivisuusero on hyvin pieni; hiilen elektronegatiivisuus on hieman suurempi kuin vedyn, mutta ero on niin vähäinen, ettei se aiheuta merkittävää poolisuutta. Näin ollen hiili-vety-sidos on myös lähes pooliton.

Vaikka yksittäisissä hiili-vety-sidosten voi esiintyä erittäin pieni poolisuus, se on yleensä niin heikkoa, että se ei yksinään tee molekyylistä poolisia. Ratkaiseva tekijä hiilivetyjen poolittomuudessa on molekyylin symmetria. Monissa hiilivetymolekyyleissä, kuten metaanissa (CH₄), etaanissa (C₂H₆) ja propaanissa (C₃H₈), yksittäisten sidosdipolien poolisuusvektorit kumoavat toisensa. Tämä tarkoittaa, että molekyylin kaikkien sidosdipolien yhteenlaskettu vaikutus on nolla, jolloin nettodipolihetki puuttuu. Tämän seurauksena molekyyli on pooliton.

Symmetria ei ole kuitenkaan aina tae poolittomuudesta. Jos hiilivetymolekyyli on epäsymmetrinen, kuten esimerkiksi joissain haarautuneissa alkaaneissa tai aromaattisissa yhdisteissä, voi yksittäisten sidosdipolien vaikutus olla merkittävä ja johtaa heikkoon poolisuuteen. Tässä tapauksessa molekyylin poolisuus on kuitenkin yleensä huomattavasti heikompaa kuin selvästi polaaristen molekyylien, kuten veden tai alkoholin, poolisuus.

Yhteenvetona voidaan todeta, että hiilivetyjen poolittomuus johtuu lähes poolittomien hiili-hiili- ja hiili-vety-sidosten sekä usein symmetrisen molekyylirakenteen yhdistelmästä, joka johtaa sidosdipolien poolisuusvektorien kumoamiseen. Tämä yksinkertainen selitys on kuitenkin hyödyllinen lähtökohta hiilivetyjen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien ymmärtämisessä.