Jedno z najdziwniejszych pytań, jakie dostałem, to pytanie o ładunek cząstkowy. "Czy to prawda, że on nie istnieje, bo ładunku elektronu nie można podzielić?" Np. elektron nie może mieć ładunku -1/3… Po dopytaniu o szczegóły okazało się, że nauczyciel fizyki zanegował słowa nauczycielki chemii. Bo ładunek elektronu jest jeden i nie można go podzielić. Nie istnieje więc ładunek cząstkowy… Zdaniem nauczyciela fizyki, oczywiście.
No i tak się składa, że fizyk ma rację, ale nie ma racji. Ma rację, jeśli chodzi o ładunek elektronu czy jakiejś innej cząstki elementarnej budującej atom - w końcu jest to ładunek elementarny. Wszystkie inne ładunki elektryczne są po prostu wielokrotnością ładunku elementarnego. Zatem ładunek na przykład anionu ortofosforanowego(V) (PO43-) wynosi -3, bo drobina ta ma 3 nadmiarowe elektrony. Elektron nie może mieć innego ładunku niż -1, ani też nie możemy pokroić elektronu na kilka kawałków, tak, żeby otrzymać np. cząstkę o ładunku -1/4. Atomy nie przekazują sobie kawałków elektronów...
I tutaj powtórzę: fizyk miał rację, jeśli chodzi o ładunek elektronu. Nie można go podzielić.
Ale nie miał racji, negując słowa nauczycielki chemii. Ładunek cząstkowy istnieje. Stwierdzenie fizyka świadczy o tym, że nie zna on treści pewnej umowy, bo pewne pojęcia są po prostu umowne.
Zanim przejdziemy dalej, zastanówmy się: dlaczego cząsteczka wody jest polarna? Co to znaczy, że wiązanie jest spolaryzowane?
Odpowiadam z powodu nierównego rozkładu ładunku elektrycznego w tej cząsteczce. Co to jednak znaczy, że ładunek jest nierówno rozłożony?
Zacznijmy od cząsteczki fluorowodoru HF - ma nierówno rozłożony ładunek elektryczny, czyli jest dipolem elektrycznym.
A skoro jest dipolem elektrycznym, to znaczy, że ma 2 bieguny elektryczne: dodatni i ujemny. Skąd te bieguny się wzięły? Z powodu różnicy elektroujemności wiążących się atomów. Wiązanie pomiędzy atomami fluoru i wodoru jest kowalencyjne, ale atom fluoru silniej przyciąga w swoją stronę elektrony wiążące. Dlatego wiązanie H-F Jest wiązaniem spolaryzowanym. Mówimy, że elektrony wiążące są przesunięte w stronę fluoru. No właśnie – co to znaczy?
Elektrony nie zajmują stałej pozycji. Nawet te tworzące wiążącą parę, są w ciągłym ruchu. Ale ze względu na większą siłę przyciągania jednego z jąder - więcej swojego czasu spędzają okrążając jądro atomu bardziej elektroujemny.
Skupmy się na tym, że są w ciągłym ruchu. Ponieważ elektron więcej czasu spędza w pobliżu jądra jednego z atomów (fluoru w przypadku cząsteczki HF), to w czasie gdy, elektron znajduje się właśnie nad jądrem fluoru to fluor ma nadmiarowy elektron. Ale stan ten nie jest trwały, bo elektron krąży także nad jądrem wodoru. Czyli na chwilę ten elektron jest nad jądrem fluoru, a za chwilę nie. Możemy więc określić jakiś średni ładunek atomu fluoru, wynikający z tego, że elektrony uwspólnione z atomem wodoru więcej czasu spędzają w pobliżu jądra fluoru. W związku z tym jądro atomu wodoru chwilami jest odsłonięte. Ale dla atomu wodoru także możemy określić średni ładunek, wynikający z tego, że elektrony krążą nad dwoma jądrami atomowymi, ale więcej czasu spędzają w pobliżu jednego.
I to właśnie ten średni ładunek nazywamy ładunkiem cząstkowym. To nie jest ładunek elektronu, który się w jakiś sposób fizycznie podzielił, tylko średni ładunek. Na tym właśnie polega polaryzacja wiązań i istnienie dipoli elektrycznych. W przypadku cząsteczki fluorowodoru moment dipolowy wynosi 1,8 debaja, co jest wartością zbliżoną do momentu dipolowego cząsteczki wody.
W przypadku cząsteczki wody atom tlenu ma ładunek cząstkowy -0,75. Nie oznacza to, że atom ten ma 3/4 elektronu w nadmiarze! Ani też, że elektron pozbył się 1/4 swojego ładunku, i taki elektron o dziwacznym ładunku -0,75 krąży nad jadrem tlenu! Po prostu elektrony z wiązania H-O więcej czasu spędzają nad jądrem tlenu. Co najwyżej możemy powiedzieć, że atom tlenu zachowuje się tak, jakby miał ¾ elektronu w nadmiarze. Ale oczywiście nie ma.
A ponieważ ten średni ładunek jest częścią ładunku elementarnego, to nazywamy go cząstkowym i oznaczamy małą literą deltą, np.:
Gdyby nie ładunki cząstkowe - nie byłoby polarnych cząsteczek.
PS w 1972 roku ustalono zwrot wektora momentu dipolowego: od minusa do plusa. Nadal jednak większość podręczników podaje odwrotnie! Tak jakby jeszcze był rok 1971...