Ковалентная связь может быть как равномерной, так и неравномерной по распределению электронной плотности. Если атомы, образующие связь, обладают одинаковой или близкой электроотрицательностью, то электроны делятся между ними практически поровну, и связь считается неполярной ковалентной. Такой тип связи характерен для гомоядерных молекул (H₂, O₂, N₂, Cl₂) и некоторых соединений с близкой электроотрицательностью элементов (например, C–H).
При различии в электроотрицательностях атомов происходит смещение электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома. Возникает полярная ковалентная связь, для которой характерно появление частичных зарядов: более электроотрицательный атом приобретает частичный отрицательный заряд δ–, менее электроотрицательный — частичный положительный заряд δ+. Классическим примером является связь O–H в молекуле воды.
Полярность связи выражается через разность электроотрицательностей атомов (Δχ). Чем больше эта разность, тем выше степень смещения электронной плотности и тем полярнее связь. При очень больших значениях Δχ (обычно > 1,7–2,0) связь приобретает преимущественно ионный характер, когда электроны фактически принадлежат более электроотрицательному атому.
Для количественной характеристики полярности используют понятие дипольного момента связи. Дипольный момент μ определяется как произведение величины заряда q на расстояние r между центрами положительного и отрицательного зарядов:
μ = q ⋅ r
Единица измерения — дебай (D). Чем выше дипольный момент, тем сильнее выражена полярность данной связи.
Полярность молекулы зависит не только от полярности отдельных связей, но и от их пространственного расположения. Даже если молекула содержит полярные связи, суммарный дипольный момент может оказаться равным нулю при симметричном расположении связей.
Таким образом, полярность молекулы определяется как геометрией молекулы, так и характером связей.
Пространственная форма молекул устанавливается с учётом электронной конфигурации центрального атома и взаимного отталкивания электронных пар (правило ВСПЭ — валентных электронных пар).
Полярность молекул оказывает решающее влияние на физико-химические свойства соединений:
Полярные молекулы взаимодействуют между собой с помощью сил диполь-дипольного притяжения. Если молекула содержит атомы водорода, ковалентно связанные с сильно электроотрицательными элементами (O, N, F), возможно образование водородных связей. Эти взаимодействия значительно сильнее обычных ван-дер-ваальсовых и определяют уникальные свойства воды, спиртов, карбоновых кислот и биомолекул.
В неполярных молекулах проявляются только слабые дисперсионные силы (силы Лондона), обусловленные мгновенными флуктуациями электронной плотности. Именно поэтому инертные газы и углеводороды имеют низкие температуры кипения и плавления.
Полярность определяет пространственную ориентацию молекул в конденсированных фазах. В полярных жидкостях наблюдается частичная упорядоченность вследствие ориентационного взаимодействия диполей. В биологических системах полярность молекул играет основополагающую роль в формировании мембран, свёртывании белков и взаимодействиях макромолекул.
Таким образом, полярность связей и молекул является универсальной характеристикой, связывающей строение вещества с его свойствами, а также определяющей многие явления на молекулярном и макроскопическом уровнях.