ДИПОЛЬНИЙ МОМЕНТ: ЯК ВІН ОБЧИСЛЮЄТЬСЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Дипольний момент є хімічне властивість , яке вказує на те, як гетерогенно електричні заряди розподілені в молекулі. Він виражається в одиницях Debye, 3,33 · 10 ^-30 C · м, і загалом його значення коливаються від 0 до 11 D.

У високополярних сполук, як правило, є великі дипольні моменти; в той час як аполярні, малі дипольні моменти. Чим більше поляризованих електричних зарядів у молекулі, тим більший її дипольний момент; тобто має бути область, багата електронами, δ-, а інша бідна електронами, δ +.

Двоколірна гумка служить аналогією двом полюсам, позитивному та негативному, молекули з помітним дипольним моментом. Джерело: Пікселі.

Дипольний момент, μ - величина вектора, тому на нього впливають кути зв’язків і взагалі молекулярна структура.

Коли молекула лінійна, її можна порівняти з двоколірною гумкою. Його негативний кінець δ-, відповідав би червоному кольору; тоді як позитивний, δ +, буде синім. Зі збільшенням величини від'ємних зарядів на δ-полюсі та відстані, що відокремлює його від δ +, дипольний момент збільшується.

Хімічно, вище сказане означає, що чим більша різниця електронегативності між двома атомами, і чим довше відстань, що їх розділяє, тим більший дипольний момент між ними.

Як обчислюється дипольний момент?

Вважається ковалентним зв'язком між двома атомами, А і В:

AB

Відстань між позитивними та негативними частковими зарядами вже визначається довжиною їх зв'язку:

A ^{δ +} -B ^δ-

Оскільки протони та електрони мають однакову величину електричного заряду, але з протилежними знаками, 1,6 · 10 ^-19 C, це враховується при оцінці дипольного моменту між A і B за допомогою наступного рівняння:

μ = δd

Де μ - дипольний момент, δ - заряд електрона без негативного знаку, а d - довжина зв’язку, виражена в метрах. Наприклад, якщо припустити, що d має значення 2 Å (1 · 10 ^-10 м) дипольного моменту, μA-B буде:

мкА-В = (1,6 10 ^-19 С) (2 10 ^-10 м)

= 3,2 10 ^-29 С м

Але оскільки це значення дуже мале, використовується блок Debye:

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

= 9,60 D

Це значення мкА-В могло б припустити, що зв'язок АВ є більш іонним, ніж ковалентним.

Приклади

Вода

Дипольний момент молекули води. Джерело: Габріель Болівар.

Для обчислення дипольного моменту молекули всі дипольні моменти їх відповідних зв’язків необхідно додавати векторіально, враховуючи кути зв’язку та трохи тригонометрії. Це на початку.

У води є один з найбільших дипольних моментів, на який можна очікувати ковалентного з'єднання. На верхньому зображенні маємо, що атоми водню мають позитивні часткові заряди, δ +, тоді як кисень несе негативний парціальний заряд δ-. ОН-зв’язок є досить полярним (1,5D), і в молекулі H ₂ O їх є дві .

Зазвичай малюється вектор, який спрямований від найменшого електронегативного атома (Н) до самого електронегативного (О). Хоча вони і не намальовані, на атомі кисню є дві пари нерозділених електронів, які ще більше «концентрують» негативну область.

Через кутову геометрію H ₂ O дипольні моменти додають у напрямку атома кисню. Зауважте, що сума двох мкО-Н дала б 3D (1,5 + 1,5); але це не так. Дипольний момент води має експериментальне значення 1,85D. Тут показаний ефект кута, близького до 105 °, між зв'язками HOH.

Метанол

Дипольний момент молекули метанолу. Джерело: Габріель Болівар.

Дипольний момент метанолу становить 1,69D. Це менше, ніж у води. Тому атомні маси не мають великого впливу на дипольний момент; але їх атомні радіуси є. Що стосується метанолу, ми не можемо сказати, що його зв'язок HO має μ, рівний 1,5D; оскільки молекулярні середовища різні в CH ₃ OH та H ₂ O.

Ось чому довжина зв'язку HO в метанолі повинна бути виміряна для обчислення μO-H. Можна сказати, що μO-H більше, ніж μC-O, оскільки різниця електронегативності між вуглецем та киснем менша, ніж між воднем та киснем.

Метанол вказаний як один з найбільш полярних розчинників, який можна знайти разом з водою та аміаком.

Аміак

Дипольний момент молекули аміаку. Джерело: Габріель Болівар.

Зв'язки HN досить полярні, тому азот через свою більш високу електронегативність притягує до себе електрони (верхнє зображення). На додаток до цього, на ній у нас є неподілена пара електронів, які вносять свої негативні заряди в δ- область. Тому на атомі азоту аміаку переважають електричні заряди.

Аміак має дипольний момент на 1,42D, менший, ніж у метанолу. Якщо і аміак, і метанол можна було б перетворити в ластики, було б видно, що ластик метанолу має більш визначені полюси порівняно з аміачною гумкою.

Етанол

Що стосується етанолу, CH ₃ CH ₂ OH, то його дипольний момент дуже близький до часу метанолу, але він, як правило, має менші значення. Оскільки більше атомів вуглецю, що складають δ + область, атом кисню, що представляє δ-, починає втрачати частину своєї «відносної негативної інтенсивності».

Вуглекислий газ

Дипольний момент молекули вуглекислого газу. Джерело: Габріель Болівар.

Вуглекислий газ має дві полярні зв’язки, C = O, з відповідними їм дипольними моментами μO-C. Однак, як видно на зображенні вище, лінійна геометрія СО ₂ змушує два мкО-С відміняти один одного вектором, навіть коли вуглець має позитивний частковий заряд і кисню мають негативні часткові заряди.

З цієї причини вуглекислий газ є аполярною молекулою, оскільки μCO ₂ має значення 0D.

Метан

Дипольний момент для молекули метану. Джерело: Габріель Болівар.

І метан, і вуглекислий газ мають щось спільне: вони є симетричними молекулами. Взагалі, чим симетричніша молекула, тим менший її дипольний момент.

Якщо ми подивимось на молекулу СН ₄ , її СН-зв’язки полярні, а електрони спрямовані до атома вуглецю, оскільки він дещо більш електронегативний. Можна подумати, що вуглець повинен бути сильно негативним δ-регіоном; як гумка з глибоким червоним центром і синюватими кінцями.

Однак, розділивши CH ₄ навпіл, ми отримали би дві половини HCH, одну зліва, а другу праворуч, подібну до молекули H ₂ O. з другою половинкою. І тому μCH ₄ має значення 0D.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вальтер Дж. Мур. (1963). Фізична хімія. У хімічній кінетиці. Четверте видання, Лонгманс.
3. Іра Н. Левін. (2009). Принципи фізикохімії. Шосте видання, стор. 479-540. Mc Graw Hill.
4. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (29 січня 2020 р.). Визначення дипольного моменту. Відновлено з: thinkco.com
5. Blaber Mike. (29 вересня 2019 р.). Дипольні моменти. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
6. Ларіта Вільямс. (2020). Дипольний момент: визначення, рівняння та приклади. Вивчення. Відновлено з: study.com
7. Вікіпедія. (2020). Дипольний момент облігації. Відновлено з: en.wikipedia.org