Momente de dipol
Moment de dipol
Când două sarcini electrice, de semn opus și mărime egală, sunt separate de o distanță, se stabilește un dipol electric. Mărimea unui dipol se măsoară prin momentul său de dipol (\(\mu\\)). Momentul de dipol se măsoară în unități Debye, care este egal cu distanța dintre sarcini înmulțită cu sarcina (1 Debye este egal cu \(3,34 \ ori 10^{-30}\; C\, m\)). Momentul de dipol al unei molecule poate fi calculat cu ajutorul ecuației \(\ref{1}\):
\
unde
- \(\vec{\mu}\) este vectorul momentului de dipol
- \(q_i\) este mărimea sarcinii \(i^{th}\), și
- \(\vec{r}_i\) este vectorul care reprezintă poziția sarcinii \(i^{th}\).
Curentul dipolar acționează în direcția mărimii vectoriale. Un exemplu de moleculă polară este \(\ce{H_2O}\). Din cauza perechii singuratice de pe oxigen, structura lui \(\ce{H_2O}\) este curbată (prin teoria VEPSR), ceea ce face ca vectorii care reprezintă momentul de dipol al fiecărei legături să nu se anuleze reciproc. Prin urmare, apa este polară.
Vectoriul indică de la pozitiv la negativ, atât momentul de dipol molecular (net), cât și dipolii legăturilor individuale. Tabelul A2 prezintă electronegativitatea unora dintre elementele comune. Cu cât diferența de electronegativitate dintre cei doi atomi este mai mare, cu atât legătura respectivă este mai electronegativă. Pentru a fi considerată o legătură polară, diferența de electronegativitate trebuie să fie mare. Momentul dipolar punctează în direcția cantității vectoriale a fiecăreia dintre electronegativitățile legăturii însumate.
Este relativ ușor de măsurat momentele dipolare; este suficient să plasați o substanță între plăci încărcate (Figura \(\PageIndex{2}\)) și moleculele polare cresc sarcina stocată pe plăci și se poate obține momentul dipolar (adică prin intermediul capacității sistemului). Moleculele nepolare \(\ce{CCl_4}\) nu sunt deviate; acetona moderat de polară deviază ușor; apa foarte polară deviază puternic. În general, moleculele polare se vor alinia: (1) într-un câmp electric, (2) una față de cealaltă sau (3) față de ioni (Figura \(\PageIndex{2}\)).
Ecuația \(\ref{1}\) poate fi simplificată pentru o simplă structură separată cu douăde sarcină simplă și simplă, cum ar fi moleculele diatomice, sau atunci când se ia în considerare un dipol de legătură în cadrul unei molecule
Acest dipol de legătură este interpretat ca fiind dipolul rezultat dintr-o separare de sarcină pe o distanță \(r\) între sarcinile parțiale \(Q^+\) și \(Q^-\) (sau termenii mai frecvent utilizați \(δ^+\) – \(δ^-\)); orientarea dipolului este de-a lungul axei legăturii. Să considerăm un sistem simplu format dintr-un singur electron și un singur proton separate de o distanță fixă. Când protonul și electronul se apropie unul de celălalt, momentul de dipol (gradul de polaritate) scade. Cu toate acestea, pe măsură ce protonul și electronul se îndepărtează, momentul de dipol crește. În acest caz, momentul dipolar calculat ca fiind (prin ecuația \(\ref{1a}\)):
\ &= (1,60 \ ori 10^{{-19}\, C)(1,00 \ ori 10^{-10} \,m) \nonnumărul \\ &= 1,60 \ ori 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}\]
Debye caracterizează mărimea momentului de dipol. Când un proton & electron la 100 pm distanță, momentul de dipol este \(4,80\; D\):
\ &= 4,80\; D \label{3} \end{align}\}]
\(4.80\; D\) este o valoare de referință cheie și reprezintă o sarcină pură de +1 și -1 separate de 100 pm. Dacă separarea sarcinilor ar crește, atunci momentul dipolar crește (liniar):
- Dacă protonul și electronul ar fi separați de 120 pm:
\
- Dacă protonul și electronul ar fi separați de 150 pm:
\
- Dacă protonul și electronul au fost separați de 200 pm:
\
Exemplu \(\PageIndex{1}\): Apă
Molcula de apă din figura \(\PageIndex{1}\) poate fi folosită pentru a determina direcția și mărimea momentului de dipol. Pornind de la electronegativitățile oxigenului și hidrogenului, diferența este de 1,2e pentru fiecare dintre legăturile hidrogen-oxigen. În continuare, deoarece oxigenul este atomul mai electronegativ, acesta exercită o atracție mai mare asupra electronilor comuni; de asemenea, are două perechi de electroni solitari. De aici se poate trage concluzia că momentul de dipol se îndreaptă de la cei doi atomi de hidrogen spre atomul de oxigen. Folosind ecuația de mai sus, se calculează că momentul de dipol este de 1,85 D, înmulțind distanța dintre atomii de oxigen și de hidrogen cu diferența de sarcină dintre ei și apoi găsind componentele fiecăruia care punctează în direcția momentului de dipol net (unghiul moleculei este de 104,5˚).
Momentul de legătură al legăturii O-H =1,5 D, deci momentul de dipol net este
\