Dipolmomente
Dipolmoment
Wenn zwei elektrische Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen und gleicher Größe durch einen Abstand getrennt sind, entsteht ein elektrischer Dipol. Die Größe eines Dipols wird durch sein Dipolmoment (\(\mu\)) gemessen. Das Dipolmoment wird in Debye-Einheiten gemessen, was dem Abstand zwischen den Ladungen multipliziert mit der Ladung entspricht (1 Debye ist gleich \(3,34 \mal 10^{-30}\; C\, m\)). Das Dipolmoment eines Moleküls kann mit der Gleichung \(\ref{1}\) berechnet werden:
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wobei
- \(\vec{\mu}\) der Dipolmomentvektor ist
- \(q_i\) ist die Größe der \(i^{th}\)-Ladung und
- \(\vec{r}_i\) ist der Vektor, der die Position der \(i^{th}\)-Ladung darstellt.
Das Dipolmoment wirkt in der Richtung der Vektorgröße. Ein Beispiel für ein polares Molekül ist \(\ce{H_2O}\). Wegen des einsamen Paares am Sauerstoff ist die Struktur von \(\ce{H_2O}\) gekrümmt (über die VEPSR-Theorie), so dass die Vektoren, die das Dipolmoment jeder Bindung darstellen, sich nicht gegenseitig aufheben. Folglich ist Wasser polar.
Es ist relativ einfach, Dipolmomente zu messen; es genügt, eine Substanz zwischen geladenen Platten zu platzieren (Abbildung \(\PageIndex{2}\)) und polare Moleküle erhöhen die auf den Platten gespeicherte Ladung und das Dipolmoment kann ermittelt werden (d. h. über die Kapazität des Systems). Unpolares \(\ce{CCl_4}\) wird nicht abgelenkt; mäßig polares Aceton wird leicht abgelenkt; hochpolares Wasser wird stark abgelenkt. Im Allgemeinen werden sich polare Moleküle ausrichten: (1) in einem elektrischen Feld, (2) in Bezug zueinander oder (3) in Bezug zu Ionen (Abbildung \(\PageIndex{2}\)).
Die Gleichung \(\ref{1}\) kann für ein einfaches getrenntes System mit zweiLadungssystem wie zweiatomige Moleküle oder bei der Betrachtung eines Bindungsdipols innerhalb eines Moleküls vereinfacht werden
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Dieser Bindungsdipol wird als der Dipol aus einer Ladungstrennung über eine Distanz \(r\) zwischen den Teilladungen \(Q^+\) und \(Q^-\) (oder den häufiger verwendeten Begriffen \(δ^+\) – \(δ^-\)) interpretiert; die Ausrichtung des Dipols verläuft entlang der Achse der Bindung. Betrachten wir ein einfaches System aus einem einzelnen Elektron und einem Proton, die durch einen festen Abstand getrennt sind. Wenn Proton und Elektron sich einander nähern, nimmt das Dipolmoment (Grad der Polarität) ab. Wenn Proton und Elektron jedoch weiter voneinander entfernt sind, nimmt das Dipolmoment zu. In diesem Fall berechnet sich das Dipolmoment (über Gleichung \(\ref{1a}\)):
\ &= (1,60 \mal 10^{-19}\, C)(1,00 \mal 10^{-10} \,m) \number \\\ &= 1,60 \mal 10^{-29} \,C \cdot m \label{2} \end{align}\]
Der Debye charakterisiert die Größe des Dipolmoments. Wenn ein Proton & Elektron 100 pm voneinander entfernt ist, beträgt das Dipolmoment \(4.80\; D\):
\ &= 4.80\; D \label{3} \end{align}\]
\(4.80\; D\) ist ein wichtiger Referenzwert und repräsentiert eine reine Ladung von +1 und -1, die durch 100 pm getrennt sind. Wenn der Ladungsabstand vergrößert wird, steigt das Dipolmoment (linear):
- Wenn das Proton und das Elektron durch 120 pm getrennt wären:
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- Wenn das Proton und das Elektron durch 150 pm getrennt wären:
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- Wenn das Proton und das Elektron durch 200 pm getrennt wären:
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Beispiel \(\PageIndex{1}\): Wasser
Aus dem Wassermolekül in Abbildung \(\PageIndex{1}\) lassen sich Richtung und Größe des Dipolmoments bestimmen. Aus den Elektronegativitäten von Sauerstoff und Wasserstoff ergibt sich eine Differenz von 1,2e für jede der Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen. Da der Sauerstoff das elektronegativere Atom ist, übt er eine stärkere Anziehungskraft auf die gemeinsam genutzten Elektronen aus; außerdem besitzt er zwei einsame Elektronenpaare. Daraus lässt sich schließen, dass das Dipolmoment zwischen den beiden Wasserstoffatomen in Richtung des Sauerstoffatoms zeigt. Anhand der obigen Gleichung wird das Dipolmoment auf 1,85 D berechnet, indem man den Abstand zwischen den Sauerstoff- und Wasserstoffatomen mit der Ladungsdifferenz zwischen ihnen multipliziert und dann die Komponenten ermittelt, die jeweils in die Richtung des Nettodipolmoments zeigen (der Winkel des Moleküls beträgt 104,5˚).
Das Bindungsmoment der O-H-Bindung =1,5 D, also beträgt das Nettodipolmoment
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