Dipolimomentit
Dipolimomentti
Kun kaksi merkiltään vastakkaista ja suuruudeltaan yhtä suurta sähkövarausta erotetaan toisistaan etäisyydellä, syntyy sähköinen dipoli. Dipolin suuruutta mitataan sen dipolimomentilla (\(\mu\)). Dipolimomentti mitataan Debye-yksiköissä, joka on yhtä suuri kuin varausten välinen etäisyys kerrottuna varauksella (1 Debye vastaa \(3.34 \times 10^{-30}\; C\, m\)). Molekyylin dipolimomentti voidaan laskea yhtälöllä \(\ref{1}\):
\
missä
- \(\vec{\mu}\) on dipolimomenttivektori
- \(q_i\) on \(i^{th}\)-varauksen suuruus ja
- \(\vec{r}_i\) on \(i^{th}\)-varauksen asentoa kuvaava vektori.
Dipolimomentti vaikuttaa vektorisuoran suunnassa. Esimerkki polaarisesta molekyylistä on \(\ce{H_2O}\). Hapen yksinäisen parin vuoksi \(\ce{H_2O}\) rakenne on taipunut (VEPSR-teorian kautta), jolloin kunkin sidoksen dipolimomenttia kuvaavat vektorit eivät kumoa toisiaan. Näin ollen vesi on poolinen.
Vektori osoittaa positiivisesta negatiiviseen sekä molekyylin (netto)dipolimomentin että yksittäisten sidosten dipolien osalta. Taulukossa A2 on esitetty joidenkin yleisten alkuaineiden elektronegatiivisuus. Mitä suurempi elektronegatiivisuusero kahden atomin välillä on, sitä elektronegatiivisempi kyseinen sidos on. Jotta sidosta voitaisiin pitää polaarisena, elektronegatiivisuuseron on oltava suuri. Dipolimomentti osoittaa kunkin sidoksen elektronegatiivisuuden yhteenlasketun vektorisumman suuntaan.
Dipolimomenttien mittaaminen on suhteellisen helppoa; asetetaan vain aine varattujen levyjen väliin (kuva \(\PageIndex{2}\)) ja polaariset molekyylit lisäävät levyihin varastoitunutta varausta, jolloin dipolimomentti saadaan (eli systeemin kapasitanssin kautta). Eipolaarinen \(\ce{CCl_4}\) ei poikkea; kohtalaisen polaarinen asetoni poikkeaa hieman; erittäin polaarinen vesi poikkeaa voimakkaasti. Yleensä pooliset molekyylit suuntautuvat: (1) sähkökentässä, (2) toisiinsa nähden tai (3) ioneihin nähden (kuva \(\PageIndex{2}\)).
Yhtälö \(\ref{1}\) voidaan yksinkertaistaa yksinkertaiselle erotetulle kaksoismolekyylille.varaussysteemiä, kuten kaksiatomisia molekyylejä, tai kun tarkastellaan sidosdipolia molekyylin sisällä
\
Tämä sidosdipoli tulkitaan dipoliksi, joka syntyy varausten erottumisesta osittaisvarausten \(Q^+\) ja \(Q^-\) välisellä etäisyydellä \(r\) (tai yleisemmin käytetyillä termeillä \(δ^+\) – \(δ^-\)); dipolin suunta on sidoksen akselin suuntainen. Tarkastellaan yksinkertaista järjestelmää, jossa on yksi elektroni ja protoni, jotka on erotettu toisistaan kiinteällä etäisyydellä. Kun protoni ja elektroni lähestyvät toisiaan, dipolimomentti (napaisuusaste) pienenee. Kun protoni ja elektroni kuitenkin etääntyvät toisistaan, dipolimomentti kasvaa. Tällöin dipolimomentti lasketaan seuraavasti (yhtälön \(\ref{1a}\) avulla):
\ &= (1.60 \times 10^{-19}\, C)(1.00 \times 10^{-10} \,m) \luku \\\ &= 1.60 \times 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}\]
Debye luonnehtii dipolimomentin suuruutta. Kun protonin & elektronin etäisyys toisistaan on 100 pm, dipolimomentti on \(4.80\; D\):
\ &= 4.80\; D \label{3} \end{align}\]
\(4.80\; D\) on keskeinen viitearvo, ja se edustaa puhtaita varauksia +1 ja -1, jotka ovat 100 pm:n päässä toisistaan. Jos varauserotusta kasvatettaisiin, niin dipolimomentti kasvaa (lineaarisesti):
- Jos protonin ja elektronin erottaa toisistaan 120 pm:
\
- Jos protonin ja elektronin erottaa toisistaan 150 pm:
\
- Jos protonin ja elektronin erotti 200 pm:
\
Esimerkki \(\PageIndex{1}\): Kuvassa \(\PageIndex{1}\) olevan vesimolekyylin avulla voidaan määrittää dipolimomentin suunta ja suuruus. Hapen ja vedyn elektronegatiivisuuksien perusteella ero on 1,2e kummallekin vety-happi-sidokselle. Koska happi on elektronegatiivisempi atomi, sillä on suurempi vetovoima jaettuihin elektroneihin; sillä on myös kaksi yksinäistä elektroniparia. Tästä voidaan päätellä, että dipolimomentti osoittaa kahden vetyatomin välistä kohti happiatomia. Yllä olevan yhtälön avulla dipolimomentti saadaan laskettua 1,85 D:ksi kertomalla happi- ja vetyatomien välinen etäisyys niiden välisellä varauserolla ja etsimällä sitten kummankin komponentit, jotka osoittavat nettodipolimomentin suuntaan (molekyylin kulma on 104,5˚).
O-H-sidoksen sidosmomentti =1,5 D, joten nettodipolimomentti on
\