MOMENT DIPOLOWY: SPOSÓB OBLICZANIA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Moment dipolowy jest właściwością chemiczną, która wskazuje, jak różnorodnie elektryczny koszty są rozłożone w cząsteczce. Wyrażana jest w jednostkach Debye'a, 3,33 · 10 ^-30 C · m, a generalnie jej wartości wahają się od 0 do 11 D.

Związki silnie polarne mają zwykle duże momenty dipolowe; a te niepolarne, małe momenty dipolowe. Im bardziej spolaryzowane są ładunki elektryczne w cząsteczce, tym większy jest jej moment dipolowy; to znaczy, musi istnieć region bogaty w elektrony, δ- i inny ubogi w elektrony, δ +.

Dwukolorowa gumka służy jako analogia do dwóch biegunów, dodatniego i ujemnego, cząsteczki z zaznaczonym momentem dipolowym. Źródło: Pexels.

Moment dipolowy μ jest wielkością wektorową, więc mają na niego wpływ kąty wiązań i ogólnie struktura molekularna.

Kiedy cząsteczka jest liniowa, można ją porównać do dwukolorowej gumki. Jego ujemny koniec δ- odpowiadałby kolorowi czerwonemu; podczas gdy dodatnia δ + byłaby niebieska. Wraz ze wzrostem wielkości ładunków ujemnych na biegunie δ i odległości, która dzieli go od δ +, rośnie moment dipolowy.

Z chemicznego punktu widzenia powyższe oznacza, że ​​im większa różnica elektroujemności między dwoma atomami i im większa odległość, która je dzieli, tym większy moment dipolowy między nimi.

Jak obliczany jest moment dipolowy?

Uważa się, że wiązanie kowalencyjne między dwoma atomami, A i B:

AB

Odległość między dodatnimi i ujemnymi ładunkami cząstkowymi jest już określona długością ich wiązania:

A ^{δ +} -B ^δ-

Ponieważ protony i elektrony mają tę samą wielkość ładunku elektrycznego, ale z przeciwnymi znakami, 1,6 · 10 ^-19 C, to jest to, co jest brane pod uwagę podczas oceny momentu dipolowego między A i B przy użyciu następującego równania:

μ = δd

Gdzie μ to moment dipolowy, δ to ładunek elektronu bez znaku ujemnego, ad to długość wiązania wyrażona w metrach. Na przykład zakładając, że d ma wartość 2 Å (1 10 ^-10 m) moment dipolowy, μA-B będzie wynosić:

μA-B = (1,6 ^10-19 C) (2 ^10-10 m)

= 3,2 ^10-29 C m

Ale ponieważ ta wartość jest bardzo mała, używana jest jednostka Debye:

μ = (3,2 · 10 ^-29 C · m) · (1 D / 3,33 · 10 ^-30 C · m)

= 9,60 D.

Ta wartość μA-B może dać przypuszczenie, że wiązanie AB jest bardziej jonowe niż kowalencyjne.

Przykłady

woda

Moment dipolowy cząsteczki wody. Źródło: Gabriel Bolívar.

Aby obliczyć moment dipolowy cząsteczki, wszystkie momenty dipolowe ich odpowiednich wiązań muszą zostać dodane wektorowo, biorąc pod uwagę kąty wiązań i trochę trygonometrii. To na początku.

Woda ma jeden z największych momentów dipolowych, jakich można się spodziewać po związkach kowalencyjnych. Na górnym obrazie mamy, że atomy wodoru mają dodatnie ładunki cząstkowe, δ +, podczas gdy tlen ma ujemny ładunek cząstkowy, δ-. Wiązanie OH jest dość polarne (1,5 D), a w cząsteczce H ₂ O są dwa z nich .

Zwykle rysowany jest wektor skierowany od atomu najmniej elektroujemnego (H) do atomu najbardziej elektroujemnego (O). Chociaż nie są one narysowane, na atomie tlenu znajdują się dwie pary niewspółdzielonych elektronów, które jeszcze bardziej „koncentrują” obszar ujemny.

Ze względu na geometrię kątową H ₂ O momenty dipolowe sumują się w kierunku atomu tlenu. Zauważ, że suma dwóch μO-H daje 3D (1,5 + 1,5); ale tak nie jest. Moment dipolowy wody ma eksperymentalną wartość 1,85D. Tutaj pokazano efekt kąta bliskiego 105 ° między wiązaniami HOH.

Metanol

Moment dipolowy cząsteczki metanolu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Moment dipolowy metanolu wynosi 1,69D. To mniej niż wody. Dlatego masy atomowe nie mają dużego wpływu na moment dipolowy; ale ich promienie atomowe są. W przypadku metanolu nie możemy powiedzieć, że jego wiązanie HO ma μ równe 1,5D; ponieważ środowiska molekularne są różne w CH ₃ OH i H ₂ O.

Dlatego też, aby obliczyć μO-H, należałoby zmierzyć długość wiązania HO ​​w metanolu. Można powiedzieć, że μO-H jest większe niż μC-O, ponieważ różnica elektroujemności między węglem a tlenem jest mniejsza niż między wodorem a tlenem.

Metanol jest wymieniany jako jeden z najbardziej polarnych rozpuszczalników, które można znaleźć wraz z wodą i amoniakiem.

Amoniak

Moment dipolowy cząsteczki amoniaku. Źródło: Gabriel Bolívar.

Wiązania HN są dość polarne, więc azot ze względu na swoją wyższą elektroujemność przyciąga do siebie elektrony (górne zdjęcie). Oprócz tego mamy na nim niewspółdzieloną parę elektronów, które przekazują swoje ujemne ładunki do regionu δ-. Dlatego na atomie azotu amoniaku przeważają ładunki elektryczne.

Amoniak ma moment dipolowy 1,42D, mniejszy niż metanol. Gdyby zarówno amoniak, jak i metanol można było przekształcić w gumki do ścierania, można by zauważyć, że gumka metanolowa ma bardziej zdefiniowane bieguny w porównaniu do gumki amoniakalnej.

Etanol

W przypadku etanolu, CH ₃ CH ₂ OH, jego moment dipolowy jest bardzo zbliżony do momentu metanolu, ale ma zwykle niższe wartości. Ponieważ więcej atomów węgla tworzy region δ +, atom tlenu reprezentujący δ- zaczyna tracić część swojej „względnej ujemnej intensywności”.

Dwutlenek węgla

Moment dipolowy cząsteczki dwutlenku węgla. Źródło: Gabriel Bolívar.

Dwutlenek węgla ma dwa wiązania polarne, C = O, z odpowiadającymi im momentami dipolowymi μO-C. Jednak, jak widać na powyższym obrazku, liniowa geometria CO ₂ powoduje, że dwa μO-C znoszą się wzajemnie wektorowo, nawet gdy węgiel ma dodatni ładunek częściowy, a tlen ma ujemny ładunek cząstkowy.

Z tego powodu dwutlenek węgla jest cząsteczką niepolarną, ponieważ μCO ₂ ma wartość 0D.

Metan

Moment dipolowy dla cząsteczki metanu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Zarówno metan, jak i dwutlenek węgla mają coś wspólnego: są to wysoce symetryczne cząsteczki. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej symetryczna jest cząsteczka, tym mniejszy jest jej moment dipolowy.

Jeśli spojrzymy na cząsteczkę CH ₄ , jej wiązania CH są polarne, a elektrony są skierowane w stronę atomu węgla, ponieważ jest on nieco bardziej elektroujemny. Można by pomyśleć, że węgiel musiałby być wysoce ujemnym regionem δ; jak gumka z głębokim czerwonym środkiem i niebieskawymi końcami.

Jednak dzieląc CH ₄ na pół, otrzymalibyśmy dwie połówki HCH, jedną po lewej, a drugą po prawej, podobne do cząsteczki H ₂ O. Zatem moment dipolowy wynikający z dodania tych dwóch μC-H anulowałby z drugą połową. Dlatego μCH ₄ ma wartość 0D.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Walter J. Moore. (1963). Chemia fizyczna. W kinetyce chemicznej. Wydanie czwarte, Longmans.
3. Ira N. Levine. (2009). Zasady fizykochemii. Wydanie szóste, str. 479–540. Mc Graw Hill.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 stycznia 2020). Definicja momentu dipolowego. Odzyskany z: thinkco.com
5. Blaber Mike. (29 września 2019). Dipole Moments. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. LaRita Williams. (2020). Moment dipolowy: definicja, równanie i przykłady. Badanie. Odzyskany z: study.com
7. Wikipedia. (2020). Moment dipolowy wiązania. Odzyskane z: en.wikipedia.org