ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ: КАК ОН РАССЧИТЫВАЕТСЯ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

Дипольный момент представляет собой химическое свойство , которое указывает на то, как гетерогенно электрические заряды распределены в молекуле. Он выражается в единицах Дебая, 3,33 · 10 ^{-30 См} · м, и обычно его значения находятся в диапазоне от 0 до 11 D.

Высокополярные соединения обычно имеют большие дипольные моменты; а неполярные - малые дипольные моменты. Чем более поляризованы электрические заряды в молекуле, тем больше ее дипольный момент; то есть должна быть область, богатая электронами, δ-, и другая, бедная электронами, δ +.

Двухцветный ластик служит аналогией двух полюсов, положительного и отрицательного, молекулы с отмеченным дипольным моментом. Источник: Pexels.

Дипольный момент μ является векторной величиной, поэтому на него влияют углы связей и, в целом, молекулярная структура.

Когда молекула линейна, ее можно сравнить с двухцветным ластиком. Его отрицательный конец δ- будет соответствовать красному цвету; в то время как положительное, δ +, будет синим. По мере увеличения величин отрицательных зарядов на δ-полюсе и расстояния, отделяющего его от δ +, дипольный момент увеличивается.

С химической точки зрения вышеизложенное означает, что чем больше разница в электроотрицательности между двумя атомами и чем больше расстояние между ними, тем больше дипольный момент между ними.

Как рассчитывается дипольный момент?

Это считается ковалентной связью между двумя атомами, A и B:

AB

Расстояние между положительным и отрицательным частичными зарядами уже определяется длиной их связи:

A ^{δ +} -B ^δ-

Поскольку протоны и электроны имеют одинаковую величину электрического заряда, но с противоположными знаками, 1,6 · 10 ^-19 Кл, это то, что принимается во внимание при оценке дипольного момента между A и B с использованием следующего уравнения:

μ = δd

Где μ - дипольный момент, δ - заряд электрона без отрицательного знака, а d - длина связи, выраженная в метрах. Например, если предположить, что d имеет значение 2 Å (1 · 10 ^-10 м), дипольный момент μA-B будет:

мкА-В = (1,6 ^· 10 ^-19 ° C) (2 ^{· 10-10} м)

= 3,2 ^{· 10-29 См ·} м

Но поскольку это значение очень мало, используется единица Дебая:

μ = (3,2 · 10 ^{-29 См} · м) · (1 Д / 3,33 · 10 ^{-30 См} · м)

= 9.60 Д

Это значение μA-B позволяет предположить, что связь AB является более ионной, чем ковалентной.

Примеры

вода

Дипольный момент молекулы воды. Источник: Габриэль Боливар.

Чтобы вычислить дипольный момент молекулы, все дипольные моменты их соответствующих связей должны быть добавлены векторно, учитывая углы связи и небольшую тригонометрию. Это в начале.

Вода имеет один из самых больших дипольных моментов, который можно ожидать для ковалентного соединения. На верхнем изображении мы видим, что атомы водорода имеют положительный частичный заряд, δ +, а кислород несет отрицательный частичный заряд, δ-. Связь ОН достаточно полярная (1,5D), и их две в молекуле H ₂ O.

Обычно рисуется вектор, направленный от наименее электроотрицательного атома (H) к наиболее электроотрицательному (O). Хотя они не нарисованы, на атоме кислорода есть две пары неподеленных электронов, которые еще больше «концентрируют» отрицательную область.

Из-за угловой геометрии H ₂ O дипольные моменты складываются в направлении атома кислорода. Обратите внимание, что сумма двух μO-H даст 3D (1,5 + 1,5); но это не так. Дипольный момент воды имеет экспериментальное значение 1,85D. Здесь показан эффект угла около 105 ° между связями HOH.

метанол

Дипольный момент молекулы метанола. Источник: Габриэль Боливар.

Дипольный момент метанола составляет 1,69 D. Это меньше, чем у воды. Следовательно, атомные массы не имеют большого влияния на дипольный момент; но их атомные радиусы равны. В случае метанола нельзя сказать, что его связь НО имеет μ, равную 1,5D; так как молекулярное окружение в CH ₃ OH и H ₂ O различно.

Вот почему для расчета μO-H необходимо измерить длину связи HO в метаноле. Что можно сказать, так это то, что μO-H больше, чем μC-O, поскольку разница электроотрицательностей между углеродом и кислородом меньше, чем между водородом и кислородом.

Метанол указан как один из самых полярных растворителей, которые можно найти вместе с водой и аммиаком.

аммоний

Дипольный момент молекулы аммиака. Источник: Габриэль Боливар.

Связи HN довольно полярны, поэтому азот из-за своей более высокой электроотрицательности притягивает электроны к себе (верхнее изображение). В дополнение к этому у нас есть неподеленная пара электронов, которые вносят свои отрицательные заряды в δ-область. Следовательно, на атоме азота аммиака преобладают электрические заряды.

Аммиак имеет дипольный момент 1,42D, меньше, чем у метанола. Если бы и аммиак, и метанол можно было превратить в ластики, было бы видно, что ластик из метанола имеет более определенные полюса по сравнению с ластиком из аммиака.

Спирт этиловый

В случае этанола, CH ₃ CH ₂ OH, его дипольный момент очень близок к дипольному моменту метанола, но, как правило, имеет более низкие значения. Поскольку в области δ + становится больше атомов углерода, атом кислорода, представляющий δ-, начинает терять часть своей «относительной отрицательной интенсивности».

Углекислый газ

Дипольный момент молекулы углекислого газа. Источник: Габриэль Боливар.

Углекислый газ имеет две полярные связи C = O с соответствующими дипольными моментами μO-C. Однако, как видно на изображении выше, линейная геометрия CO ₂ заставляет два μO-C векторно компенсировать друг друга, даже когда углерод имеет положительный частичный заряд, а атомы кислорода имеют отрицательные частичные заряды.

По этой причине диоксид углерода является неполярной молекулой, поскольку μCO ₂ имеет значение 0D.

метан

Дипольный момент для молекулы метана. Источник: Габриэль Боливар.

И метан, и углекислый газ имеют нечто общее: это высокосимметричные молекулы. В общем, чем симметричнее молекула, тем меньше ее дипольный момент.

Если мы посмотрим на молекулу CH ₄ , ее связи CH полярны, а электроны направлены к атому углерода, поскольку он немного более электроотрицателен. Можно было бы подумать, что углерод должен быть сильно отрицательной δ-областью; как ластик с темно-красным центром и голубоватыми концами.

Однако, разделив CH ₄ пополам, мы получим две половины HCH, одну слева, а другую справа, аналогичные молекуле H ₂ O. Таким образом, дипольный момент, возникающий в результате сложения этих двух μC-H, сократится с другой половиной. Следовательно, μCH ₄ имеет значение 0D.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Уолтер Дж. Мур. (1963). Физическая химия. В химической кинетике. Четвертое издание, Лонгманс.
3. Ира Н. Левин. (2009). Основы физико-химии. Издание шестое, стр. 479-540. Мак Гроу Хилл.
4. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (29 января 2020 г.). Определение дипольного момента. Получено с: thinkco.com
5. Блабер Майк. (29 сентября 2019 г.). Дипольные моменты. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
6. ЛаРита Уильямс. (2020). Дипольный момент: определение, уравнения и примеры. Учиться. Получено с: study.com
7. Wikipedia. (2020). Дипольный момент связи. Получено с: en.wikipedia.org