Momenti di dipolo
Momento di dipolo
Quando due cariche elettriche, di segno opposto e grandezza uguale, sono separate da una distanza, si stabilisce un dipolo elettrico. La dimensione di un dipolo è misurata dal suo momento di dipolo (\(\mu\)). Il momento di dipolo si misura in unità Debye, che è uguale alla distanza tra le cariche moltiplicata per la carica (1 Debye è uguale a \(3,34 \volte 10^{-30}; C\, m\)). Il momento di dipolo di una molecola può essere calcolato dall’equazione \(\ref{1}\):
dove
- \(\vec{\mu}}) è il vettore del momento di dipolo
- \(q_i\) è la grandezza della carica \(i^a), e
- \(\vec{r}_i\) è il vettore che rappresenta la posizione della carica \(i^a).
Il momento di dipolo agisce nella direzione della quantità vettoriale. Un esempio di molecola polare è \(\ce{H_2O}}). A causa della coppia solitaria sull’ossigeno, la struttura di \ce{H_2O} è piegata (tramite la teoria VEPSR), che i vettori che rappresentano il momento di dipolo di ogni legame non si annullano a vicenda. Quindi, l’acqua è polare.
Il vettore punta da positivo a negativo, sia sul momento di dipolo molecolare (netto) che sui singoli dipoli di legame. La tabella A2 mostra l’elettronegatività di alcuni elementi comuni. Più grande è la differenza di elettronegatività tra i due atomi, più elettronegativo è quel legame. Per essere considerato un legame polare, la differenza di elettronegatività deve essere grande. Il momento di dipolo punta nella direzione della quantità vettoriale di ciascuna delle elettronegatività del legame sommate insieme.
È relativamente facile misurare i momenti di dipolo; basta mettere una sostanza tra piastre cariche (Figura \PageIndex{2}) e le molecole polari aumentano la carica immagazzinata sulle piastre e il momento di dipolo può essere ottenuto (cioè, tramite la capacità del sistema). Il \ce{CCl_4} non polare non viene deviato; l’acetone moderatamente polare devia leggermente; l’acqua altamente polare devia fortemente. In generale, le molecole polari si allineano: (1) in un campo elettrico, (2) l’una rispetto all’altra, o (3) rispetto agli ioni (Figura \PageIndex{2}).
L’equazione \ref{1} può essere semplificata per un semplice sistema a due cariche separate come le molecole biatomichecarica come le molecole biatomiche o quando si considera un dipolo di legame all’interno di una molecola
Questo dipolo di legame è interpretato come il dipolo da una separazione di carica su una distanza \(r\) tra le cariche parziali \(Q^+\) e \(Q^-\) (o i termini più comunemente usati \(δ^+\) – \(δ^-\)); l’orientamento del dipolo è lungo l’asse del legame. Consideriamo un semplice sistema di un singolo elettrone e protone separati da una distanza fissa. Quando protone ed elettrone sono vicini, il momento di dipolo (grado di polarità) diminuisce. Tuttavia, quando il protone e l’elettrone si allontanano, il momento di dipolo aumenta. In questo caso, il momento di dipolo calcolato come (tramite l’equazione \ref{1a}):
\ &= (1.60 \volte 10^{-19}, C)(1.00 \volte 10^{-10} \m) \non numero \\531>= 1.60 \volte 10^{-29} \C \cdot m \etichetta 2 \end{align}]
Il Debye caratterizza la dimensione del momento di dipolo. Quando un protone &elettrone distante 100 pm, il momento di dipolo è \(4.80\; D\):
&= 4.80\; D \label{3} \end{align}]
(4.80\; D\) è un valore di riferimento chiave e rappresenta una carica pura di +1 e -1 separati da 100 pm. Se la separazione di carica fosse aumentata, il momento di dipolo aumenterebbe (linearmente):
- Se il protone e l’elettrone fossero separati da 120 pm:
\
- Se il protone e l’elettrone fossero separati da 150 pm:
- Se il protone e l’elettrone fossero separati da 200 pm:
Esempio \(\PageIndex{1}): Acqua
La molecola d’acqua nella figura \(\PageIndex{1}}) può essere usata per determinare la direzione e la grandezza del momento di dipolo. Dalle elettronegatività dell’ossigeno e dell’idrogeno, la differenza è 1,2e per ciascuno dei legami idrogeno-ossigeno. Poi, poiché l’ossigeno è l’atomo più elettronegativo, esercita una maggiore attrazione sugli elettroni condivisi; ha anche due coppie solitarie di elettroni. Da questo, si può concludere che il momento di dipolo punta da tra i due atomi di idrogeno verso l’atomo di ossigeno. Usando l’equazione di cui sopra, il momento di dipolo è calcolato per essere 1,85 D moltiplicando la distanza tra gli atomi di ossigeno e idrogeno per la differenza di carica tra loro e poi trovando le componenti di ciascuno che puntano nella direzione del momento di dipolo netto (l’angolo della molecola è 104,5˚).
Il momento di legame del legame O-H =1,5 D, quindi il momento di dipolo netto è
\