Dipolmomenter
Dipolmoment
Når to elektriske ladninger med modsat fortegn og samme størrelse er adskilt af en afstand, dannes der en elektrisk dipol. Størrelsen af en dipol måles ved hjælp af dens dipolmoment (\(\mu\)). Dipolmomentet måles i Debye-enheder, som er lig med afstanden mellem ladningerne ganget med ladningen (1 Debye er lig med \(3,34 \ gange 10^{-30}\; C\, m\)). Et molekyls dipolmoment kan beregnes ved ligning \(\(\ref{1}\)\):
\
hvor
- \(\vec{\mu}\) er dipolmomentvektoren
- \(q_i\) er størrelsen af \(i^{{th}}\) ladningen, og
- \(\vec{r}_i\) er den vektor, der repræsenterer positionen af \(i^{{th}\) ladningen.
Dipolmomentet virker i retning af vektormængden. Et eksempel på et polært molekyle er \(\ce{H_2O}\). På grund af det ensomme par på oxygen er strukturen af \(\ce{H_2O}\) bøjet (via VEPSR-teorien), hvilket betyder, at de vektorer, der repræsenterer dipolmomentet for hver binding, ikke ophæver hinanden. Derfor er vand polært.
Vektoren peger fra positiv til negativ, både på det molekylære (netto)dipolmoment og på de enkelte bindingsdipoler. Tabel A2 viser elektronegativiteten for nogle af de almindelige grundstoffer. Jo større forskellen i elektronegativitet mellem de to atomer er, jo mere elektronegativ er den pågældende binding. For at blive betragtet som en polær binding skal forskellen i elektronegativitet være stor. Dipolmomentet peger i retning af vektormængden af hver af bindingselektronegativiteterne lagt sammen.
Det er relativt let at måle dipolmomenter; man skal blot placere et stof mellem ladede plader (figur \(\PageIndex{2}\)), og polære molekyler øger den ladning, der er lagret på pladerne, og dipolmomentet kan fås (dvs. via systemets kapacitans). Upolar \(\ce{CCl_4}\) afbøjes ikke; moderat polær acetone afbøjes en smule; stærkt polært vand afbøjes kraftigt. Generelt vil polære molekyler rette sig ind efter hinanden: (1) i et elektrisk felt, (2) i forhold til hinanden eller (3) i forhold til ioner (figur \(\PageIndex{2}\)).
Sammenligning \(\ref{1}\) kan forenkles for et simpelt adskilt to-ladningssystem som diatomare molekyler eller når man betragter en bindingsdipol i et molekyle
Denne bindingsdipol fortolkes som dipolen fra en ladningsadskillelse over en afstand \(r\) mellem de partielle ladninger \(Q^+\) og \(Q^-\) (eller de mere almindeligt anvendte udtryk \(δ^+\) – \(δ^-\)); dipolens retning er langs bindingsaksen. Betragt et simpelt system med en enkelt elektron og en enkelt proton, der er adskilt af en fast afstand. Når proton og elektron er tæt på hinanden, falder dipolmomentet (graden af polaritet). Men når proton og elektron kommer længere væk fra hinanden, øges dipolmomentet. I dette tilfælde beregnes dipolmomentet som (via ligning \(\ref{1a}\)):
\\ &= (1,60 \ gange 10^{-19}\, C)(1,00 \ gange 10^{-10} \,m) \nonumber \\\\ &= 1,60 \ gange 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}\]
Debye karakteriserer størrelsen af dipolmomentet. Når en proton & elektron 100 pm fra hinanden, er dipolmomentet \(4,80\; D\):
\ &= 4,80\; D \label{3} \end{align}\]
\(4.80\; D\) er en vigtig referenceværdi og repræsenterer en ren ladning på +1 og -1 adskilt af 100 pm. Hvis ladningsadskillelsen øges, øges dipolmomentet (lineært):
- Hvis proton og elektron var adskilt med 120 pm:
\
- Hvis proton og elektron var adskilt med 150 pm:
\
- Hvis proton og elektron var adskilt med 200 pm:
\
Eksempel \(\PageIndex{1}\)\: Vand
Vandmolekylet i figur \(\(\PageIndex{1}\)) kan bruges til at bestemme dipolmomentets retning og størrelse. Ud fra elektronegativiteterne for oxygen og hydrogen er forskellen 1,2e for hver af hydrogen-oxygenbindingerne. Da ilt er det mere elektronegative atom, udøver det en større tiltrækningskraft på de fælles elektroner; det har også to ensomme elektronpar. Heraf kan det konkluderes, at dipolmomentet peger fra mellem de to hydrogenatomer mod oxygenatomet. Ved hjælp af ovenstående ligning beregnes dipolmomentet til 1,85 D ved at gange afstanden mellem oxygen- og hydrogenatomerne med ladningsforskellen mellem dem og derefter finde de komponenter af hver af dem, der peger i retning af nettodipolmomentet (molekylets vinkel er 104,5˚).
Bindingsmomentet for O-H-bindingen =1,5 D, så nettodipolmomentet er
\