Dipólové momenty
Dipólový moment
Pokud jsou dva elektrické náboje opačného znaménka a stejné velikosti od sebe vzdáleny, vzniká elektrický dipól. Velikost dipólu se měří jeho dipólovým momentem (\(\mu\)). Dipólový moment se měří v Debyeho jednotkách, které se rovnají vzdálenosti mezi náboji vynásobené nábojem (1 Debye se rovná \(3,34 \krát 10^{-30}\; C\, m\)). Dipólový moment molekuly lze vypočítat podle rovnice \(\ref{1}\):
\
kde
- \(\vec{\mu}\) je vektor dipólového momentu
- \(q_i\) je velikost náboje \(i^{th}\) a
- \(\vec{r}_i\) je vektor představující polohu náboje \(i^{th}\).
Dipolární moment působí ve směru vektorové veličiny. Příkladem polární molekuly je \(\ce{H_2O}\). Kvůli osamělému páru na kyslíku je struktura \(\ce{H_2O}\) ohnutá (prostřednictvím teorie VEPSR), což znamená, že vektory představující dipólový moment jednotlivých vazeb se navzájem neruší. Proto je voda polární.
Vektor směřuje od kladného k zápornému, a to jak na molekulový (čistý) dipólový moment, tak na dipóly jednotlivých vazeb. Tabulka A2 uvádí elektronegativitu některých běžných prvků. Čím větší je rozdíl elektronegativit dvou atomů, tím elektronegativnější je daná vazba. Aby byla vazba považována za polární, musí být rozdíl elektronegativit velký. Dipólový moment ukazuje ve směru vektorové veličiny každé z elektronegativit vazeb sečtené dohromady.
Měření dipólových momentů je poměrně snadné; stačí umístit látku mezi nabité desky (Obrázek \(\PageIndex{2}\)) a polární molekuly zvýší náboj uložený na deskách a lze získat dipólový moment (tj. prostřednictvím kapacity systému). Nepolární \(\ce{CCl_4}\) se nevychyluje; středně polární aceton se vychyluje mírně; vysoce polární voda se vychyluje silně. Obecně se polární molekuly vyrovnávají: (1) v elektrickém poli, (2) vůči sobě navzájem nebo (3) vůči iontům (obrázek \(\PageIndex{2}\).
Rovnici \(\ref{1}\) lze zjednodušit pro jednoduchý oddělený dvou-nábojů, jako jsou dvouatomové molekuly, nebo při uvažování vazebného dipólu v molekule
\
Tento vazebný dipól se interpretuje jako dipól z oddělení nábojů na vzdálenost \(r\) mezi dílčími náboji \(Q^+\) a \(Q^-\) (nebo častěji používané termíny \(δ^+\) – \(δ^-\)); orientace dipólu je podél osy vazby. Uvažujme jednoduchý systém jednoho elektronu a protonu, které od sebe dělí pevná vzdálenost. Když se proton a elektron přiblíží k sobě, dipólový moment (stupeň polarity) se zmenší. Když se však proton a elektron od sebe vzdalují, dipólový moment se zvětšuje. V tomto případě se dipólový moment vypočítá jako (podle rovnice \(\ref{1a}\):
\ &= (1,60 \krát 10^{-19}\, C)(1,00 \krát 10^{-10} \,m) \nečíslo \\ &= 1,60 \krát 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}\]
Debye charakterizuje velikost dipólového momentu. Když jsou protonové &elektrony od sebe vzdáleny 100 pm, dipólový moment je \(4,80\; D\):
\ &= 4,80\; D \label{3} \end{align}\]
\(4,80\; D\) je klíčová referenční hodnota a představuje čistý náboj +1 a -1 vzdálený od sebe 100 pm. Pokud by se separace nábojů zvětšila, pak dipólový moment vzroste (lineárně):
- Pokud by proton a elektron byly od sebe vzdáleny 120 pm:
\
- Pokud by proton a elektron byly od sebe vzdáleny 150 pm:
\
- Pokud by proton a elektron dělilo 200 pm:
\
Příklad \(\PageIndex{1}\): Molekula vody na obrázku \(\PageIndex{1}\) může být použita k určení směru a velikosti dipólového momentu. Z elektronegativit kyslíku a vodíku vyplývá, že rozdíl je 1,2e pro každou z vazeb vodík-kyslík. Dále, protože kyslík je elektronegativnější atom, působí větší silou na sdílené elektrony; má také dva osamělé páry elektronů. Z toho lze vyvodit, že dipólový moment směřuje z prostoru mezi oběma atomy vodíku k atomu kyslíku. Pomocí výše uvedené rovnice se dipólový moment vypočítá na 1,85 D vynásobením vzdálenosti mezi atomy kyslíku a vodíku rozdílem nábojů mezi nimi a následným nalezením složek, které směřují ve směru čistého dipólového momentu (úhel molekuly je 104,5˚).
Vazbový moment vazby O-H =1,5 D, takže čistý dipólový moment je
\
.