Momentos dipolares
Momento dipolar
Cuando dos cargas eléctricas, de signo contrario e igual magnitud, están separadas por una distancia, se establece un dipolo eléctrico. El tamaño de un dipolo se mide por su momento dipolar (\(\mu\)). El momento dipolar se mide en unidades Debye, que es igual a la distancia entre las cargas multiplicada por la carga (1 Debye equivale a \(3,34 \times 10^{-30}\️; C\, m\)). El momento dipolar de una molécula se puede calcular mediante la ecuación \(\ref{1}\}):
\
donde
- (\vec{\mu}\) es el vector del momento dipolar
- (q_i\) es la magnitud de la carga \(i^{th}), y
- (\vec{r}_i) es el vector que representa la posición de la carga \(i^{th}).
El momento dipolar actúa en la dirección de la cantidad vectorial. Un ejemplo de una molécula polar es \(\ce{H_2O}\). Debido al par solitario en el oxígeno, la estructura de \ce{H_2O}\ es doblada (a través de la teoría VEPSR), que los vectores que representan el momento dipolar de cada enlace no se cancelan entre sí. Por lo tanto, el agua es polar.
El vector apunta de positivo a negativo, tanto en el momento dipolar molecular (neto) como en los dipolos de enlace individuales. La tabla A2 muestra la electronegatividad de algunos de los elementos comunes. Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos, más electronegativo será el enlace. Para ser considerado un enlace polar, la diferencia de electronegatividad debe ser grande. El momento dipolar apunta en la dirección de la cantidad vectorial de cada una de las electronegatividades del enlace sumadas.
Es relativamente fácil medir los momentos dipolares; basta con colocar una sustancia entre placas cargadas (Figura \(\PageIndex{2}\) y las moléculas polares aumentan la carga almacenada en las placas y se puede obtener el momento dipolar (es decir, mediante la capacitancia del sistema). La \ce no polar (\ce{CCl_4}\ce) no se desvía; la acetona moderadamente polar se desvía ligeramente; el agua altamente polar se desvía fuertemente. En general, las moléculas polares se alinearán (1) en un campo eléctrico, (2) con respecto a los demás, o (3) con respecto a los iones (Figura \(\PageIndex{2}\)).
La ecuación \ref(\1) puede simplificarse para un sistema simple de dos cargas separadasde carga, como las moléculas diatómicas, o cuando se considera un dipolo de enlace dentro de una molécula
Este dipolo de enlace se interpreta como el dipolo de una separación de cargas a lo largo de una distancia \(r\) entre las cargas parciales \(Q^+\) y \(Q^-\) (o los términos más utilizados \(δ^+\) – \(δ^-\)); la orientación del dipolo es a lo largo del eje del enlace. Consideremos un sistema simple de un solo electrón y un protón separados por una distancia fija. Cuando el protón y el electrón se acercan, el momento dipolar (grado de polaridad) disminuye. Sin embargo, a medida que el protón y el electrón se alejan, el momento dipolar aumenta. En este caso, el momento dipolar calculado como (a través de la Ecuación \(\ref{1a}\)):
\ 531>= (1,60 \times 10^{-19}\, C)(1,00 \times 10^{-10}\ m) \nonúmero \ 531>= 1,60 \times 10^{-29} \C, m, etiqueta 2. \end{align}]
El Debye caracteriza el tamaño del momento dipolar. Cuando un protón &electrón 100 pm de distancia, el momento dipolar es \ (4,80\; D\):
\ &= 4,80\; D \label{3} \end{align}]
(4,80\; D\) es un valor de referencia clave y representa una carga pura de +1 y -1 separada por 100 pm. Si se aumentara la separación de cargas entonces el momento dipolar aumenta (linealmente):
- Si el protón y el electrón estuvieran separados por 120 pm:
- Si el protón y el electrón estuvieran separados por 150 pm:
- Si el protón y el electrón estuvieran separados por 200 pm:
Ejemplo \(\PageIndex{1}\): Agua
La molécula de agua de la figura \(\PageIndex{1}\) puede utilizarse para determinar la dirección y magnitud del momento dipolar. A partir de las electronegatividades del oxígeno y del hidrógeno, la diferencia es de 1,2e para cada uno de los enlaces hidrógeno-oxígeno. Además, como el oxígeno es el átomo más electronegativo, ejerce una mayor atracción sobre los electrones compartidos; también tiene dos pares solitarios de electrones. De esto se puede concluir que el momento dipolar apunta desde entre los dos átomos de hidrógeno hacia el átomo de oxígeno. Utilizando la ecuación anterior, se calcula que el momento dipolar es de 1,85 D multiplicando la distancia entre los átomos de oxígeno e hidrógeno por la diferencia de carga entre ellos y luego encontrando los componentes de cada uno que apuntan en la dirección del momento dipolar neto (el ángulo de la molécula es de 104,5˚).
El momento de enlace del enlace O-H =1,5 D, por lo que el momento dipolar neto es
.