Moments dipolaires
Moment dipolaire
Lorsque deux charges électriques, de signe opposé et de magnitude égale, sont séparées par une distance, un dipôle électrique s’établit. La taille d’un dipôle est mesurée par son moment dipolaire (\(\mu\)). Le moment dipolaire est mesuré en unités Debye, qui est égal à la distance entre les charges multipliée par la charge (1 Debye est égal à \(3,34 \times 10^{-30}\ ; C\, m\)). Le moment dipolaire d’une molécule peut être calculé par l’équation \(\ref{1}\) :
\
où
- \(\vec{\mu}\) est le vecteur du moment dipolaire
- \(q_i\) est la magnitude de la \(i^{ième}\) charge, et
- \(\vec{r}_i\) est le vecteur représentant la position de la \(i^{ième}\ charge.
Le moment dipolaire agit dans la direction de la quantité vectorielle. Un exemple de molécule polaire est le \(\ce{H_2O}\). En raison de la paire solitaire sur l’oxygène, la structure de \(\ce{H_2O}\) est courbée (via la théorie VEPSR), ce qui que les vecteurs représentant le moment dipolaire de chaque liaison ne s’annulent pas. Par conséquent, l’eau est polaire.
Le vecteur pointe du positif vers le négatif, à la fois sur le moment dipolaire moléculaire (net) et sur les dipôles des liaisons individuelles. Le tableau A2 indique l’électronégativité de certains des éléments courants. Plus la différence d’électronégativité entre les deux atomes est grande, plus la liaison est électronégative. Pour être considérée comme une liaison polaire, la différence d’électronégativité doit être importante. Le moment dipolaire pointe dans la direction de la quantité vectorielle de chacune des électronégativités des liaisons additionnées.
Il est relativement facile de mesurer les moments dipolaires ; il suffit de placer une substance entre des plaques chargées (Figure \(\PageIndex{2}\)) et les molécules polaires augmentent la charge stockée sur les plaques et le moment dipolaire peut être obtenu (c’est-à-dire via la capacité du système). La molécule non polaire \(\ce{CCl_4}\) n’est pas déviée ; l’acétone modérément polaire dévie légèrement ; l’eau hautement polaire dévie fortement. En général, les molécules polaires s’alignent : (1) dans un champ électrique, (2) les unes par rapport aux autres, ou (3) par rapport aux ions (Figure \(\PageIndex{2}\\)).
L’équation \(\ref{1}\) peut être simplifiée pour un simple système séparé à deuxcharge comme les molécules diatomiques ou lorsqu’on considère un dipôle de liaison à l’intérieur d’une molécule
Ce dipôle de liaison est interprété comme le dipôle provenant d’une séparation de charge sur une distance \(r\) entre les charges partielles \(Q^+\) et \(Q^-\) (ou les termes plus couramment utilisés \(δ^+\) – \(δ^-\)) ; l’orientation du dipôle est le long de l’axe de la liaison. Considérons un système simple composé d’un électron et d’un proton séparés par une distance fixe. Lorsque le proton et l’électron se rapprochent, le moment dipolaire (degré de polarité) diminue. Cependant, lorsque le proton et l’électron s’éloignent l’un de l’autre, le moment dipolaire augmente. Dans ce cas, le moment dipolaire se calcule comme suit (via l’équation \(\ref{1a}\)):
\ &= (1,60 \times 10^{-19}\, C)(1,00 \times 10^{-10} \,m) \nonumber \\531>= 1,60 \times 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}]
Le Debye caractérise la taille du moment dipolaire. Quand un proton &électron est séparé de 100 pm, le moment dipolaire est \(4.80\ ; D\):
\N &= 4.80\ ; D \label{3} \end{align}\]
\(4.80\ ; D\) est une valeur de référence clé et représente une charge pure de +1 et -1 séparée par 100 pm. Si la séparation des charges était augmentée, alors le moment dipolaire augmente (linéairement):
- Si le proton et l’électron étaient séparés de 120 pm:
- Si le proton et l’électron étaient séparés de 150 pm :
- Si le proton et l’électron étaient séparés de 200 pm:
Exemple \(\PageIndex{1}\) : Eau
La molécule d’eau de la figure \(\PageIndex{1}\) peut être utilisée pour déterminer la direction et la magnitude du moment dipolaire. D’après les électronégativités de l’oxygène et de l’hydrogène, la différence est de 1,2e pour chacune des liaisons hydrogène-oxygène. Ensuite, l’oxygène étant l’atome le plus électronégatif, il exerce une plus grande attraction sur les électrons partagés ; il possède également deux paires d’électrons solitaires. On peut donc en conclure que le moment dipolaire se situe entre les deux atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène. En utilisant l’équation ci-dessus, on calcule que le moment dipolaire est de 1,85 D en multipliant la distance entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène par la différence de charge entre eux, puis en trouvant les composantes de chacun qui pointent dans la direction du moment dipolaire net (l’angle de la molécule est de 104,5˚).
Le moment de liaison de la liaison O-H =1,5 D, donc le moment dipolaire net est
.