Moment dipolowy http://www.chemorganiczna.com/organiczna/kurs/16-moment-dipolowy...
Ocena użytkowników: / 2
SÅ‚aby Åšwietny
Wpisany przez kg
1. Moment Dipolowy
W cząsteczce homojądrowej (zbudowanej z dwóch identycznych atomów), każdy z atomów z jednakową siłą przyciąga elektrony
wiążące. Dzięki temu  środek ciężkości elektronów pokrywa się ze  środkiem ciężkości jąder atomowych. Inaczej przedstawia się
to w cząsteczkach heterojądrowych. W takich cząsteczkach jeden atom silniej przyciąga do siebie elektrony wiążące (ten bardziej
elektroujemny), dziÄ™ki czemu ma pewien czÄ…stkowy nadmiar elektronów i uzyskuje czÄ…stkowy Å‚adunek ujemny (´-). Drugi atom ma
czÄ…stkowy niedobór elektronów i uzyskuje czÄ…stkowy Å‚adunek dodatni (´+).
Cząsteczki w których środek ciężkości ładunku dodatniego nie pokrywa się ze środkiem ciężkości ładunku ujemnego nazywane są
czÄ…steczkami polarnymi. CzÄ…steczki takie, podobnie jak w fizyce, stanowiÄ… dipole elektryczne i posiadajÄ… moment dipolowy µ.
Wartość tego momentu dipolowego jest iloczynem ładunku e i odległośći pomiędzy  środkami ciężkości ładunków r:
W układzie CGS ładunek elektronu (protonu) jest rzędu 10 10j.ES (jednostek elektrostatycznych, dokładnie 4,80.10 10j.ES).
Odległość pomiędzy atomami jest rzędu 10 8cm.
Moment dipolowy 10 10j.ES.10 8cm=10-18j.ES.cm nazywa siÄ™ jednoskÄ… Debye a (1 debaj) i oznacza D.
W układzie SI ładunek jednostkowy wynosic 1,602.10 19C, a odległość pomiędzy atomami (ładunkami) wyrażana jest w m. Dlatego
jednostką momentu dipolowego jest C.m (kulombometr). Pomiędzy kulombometrem a debajem zachodzi następująca zależność:
1D=3,33564.10-30Cm
1.10-30Cm=0,29979D
Moment dipolowy cząsteczki charakteryzowany jest nie tylko przez wartość, ale i kierunek oraz zwrot. Jest on więc wielkością
wektorową i oznacza się go strzałką skierowaną od dodatniego do ujemnego bieguna dipolu. W przypadku cząsteczki
dwuatomowej kierunek momentu dipolowego zbiega się z prostą przechodzącą przez środki atomów:
Wartość momentu dipolowego pozwala w prosty sposób oszacować w jakim stopniu wiązanie łączące dwa atomy jest wiązaniem
jonowym. Dla przykładu w chlorowodorze odległość między atomami wynosi 1,27.10 8cm. Gdyby chlorowodór składał się wyłącznie
z jonów wodorowych i chlorkowych (wiązanie H-Cl było w 100% jonowe), to moment dipolowy chlorowodoru powinien wynosić:
µ=4,8.10 8j.ES.1,27.10 8cm=6,09.10 18j.ES.cm=6,09D.
W rzeczywistości moment dipolowy chlorowodoru wynosi 1,08D. Możemy więc ułożyć proporcję:
6,09D to 100% wiÄ…zania jonowego,
1,08D to x% wiÄ…zania jonowego, czyli x=1,08D.100%/6,09D.
Skąd x=17,7%, co można przyjąć, że wiązanie w chlorowodorze jest tylko w około 18% wiązaniem jonowym.
W przypadku cząsteczek bardziej złożonych, zmierzony moment dipolowy cząsteczki jest sumą wektorową momentów
dipolowych wszystkich wiązań w cząsteczce (sumą wektorową cząstkowych momentów dipolowych pochodzących od wiązań).
Znając moment dipolowy cząsteczki i jej kształt można z rachunku wektorowego obliczyć momenty dipolowe wiązań. Dla wody
m=1,84D, kąt między wiązaniami H-O-H wynosi 104o, czyli:
1 z 4 2012-01-22 22:04
Moment dipolowy http://www.chemorganiczna.com/organiczna/kurs/16-moment-dipolowy...
W podobny sposób obliczono momenty dipolowe dla następujących wiązań:
N-H O-H S-H C-N C-O C-Cl C-Br C=O
1,3D 1,5D 0,7D 1,0D 1,2D 1,9D 1,8D 2,7D
Jeżeli niesymetryczne rozmieszczenie elektronów wiążących odpowiedzialne jest za powstanie momentu dipolowego, to nie można
zapomnieć o elektronach niewiążących, które również wpływają na całkowity moment dipolowy. Cząstkowa składowa momentu
dipolowego pochodzÄ…ca od wolnych par elektronowych nosi nazwÄ™ atomowego momentu dipolowego. Niejednokrotnie
składowa ta kompensuje momenty dipolowe wiązań do tego stopnia, że w fluorek azotu ma mniejszy moment dipolowy od
amoniaku, mimo że różnica elektroujemności między azotem a fluorem jest większa niż między azotem a wodorem.
W stabelaryzowanych wartościach momentów dipolowych wiązań jest już uwzględniona składowa momentu dipolowego
atomowego[1].
Ponieważ całkowity moment dipolowy jest sumą wektorową momentów wiązań, zależy on bardzo od symetrii cząsteczki. Cząsteczki
o jednakowym stosunku molowym składników: CO , CS i SO mogą mieć różne momenty dipolowe. Tlenek węgla(IV) i siarczek
2 2 2
węgla(IV) są cząsteczkami liniowymi, składowe momentów dipolowych wiązań znoszą się. Tlenek siarki(IV) jest natomiast
cząsteczką płaską, w której kąt między wiązaniami O-S-O wynosi około 120o (hybrydyzacja sp2 atomu siarki) i składowe
momentów dipolowych wiązań sumują się dając wypadkową różną od zera:
Czasami pomiar wartości momentu dipolowego pozwala wyciągnąć wnioski o kształcie cząsteczki np:
BeCl µ=0D
2
H2S µ=1D
Oznacza to, że chlorek berylu jest cząsteczką liniową (momenty dipolowe wiązań znoszą się), a siarkowodór nie jest cząsteczką
liniową, ale jest cząsteczką płaską (musi być płaską ponieważ zbudowany jest z trzech atomów).
Dla FeCl3 wartość m=1,27D wskazuje, że cząsteczka nie jest płaska.
Często wartość momentu dipolowego pozwala w łatwy sposób rozróżnić izomery geometryczne. Buten może istnieć w postaci
dwóch izomerów: cis-butenu i trans-butenu. Tylko cis-buten posiada m`"0:
Interesującą cząsteczką jest metan i jego pochodne. Oczywiście ze względu na symetrię jego moment dipolowy m=0D. Z oznaczeń
spektroskopowych wynika, że składowa momentu dipolowego wiązań C-H wynosi 0,3D. Wartość m=0 dla metanu oznacza, że
suma trzech wektorów podchodzących od momentów dipolowych trzech wiązań C-H równa jest co do wartości czwartej składowej,
lecz skierowana przeciwnie:
2 z 4 2012-01-22 22:04
Moment dipolowy http://www.chemorganiczna.com/organiczna/kurs/16-moment-dipolowy...
Czyli sama grupa CH posiada moment dipolowy m=0,3D. Zastąpienie jednego atomu wodoru kolejną grupą CH (przejście od
3 3
metanu do etanu) powoduje powstanie związku o momencie dipolowym również równym zero:
Oznacza to, że wszystkie węglowodory nasycone, bez względu na długość łańcucha (wszystkie mogą być wyprowadzone od
metanu) sÄ… niepolarne, posiadajÄ… moment dipolowy µ=0.
Jednakże nie zawsze symetrycznie podstawiony metan nie posiada momentu dipolowego. Zerowy moment dipolowy występuje
jedynie w tych pochodnych dla których kierunek wektora momentu dipolowego pokrywa się kierunkiem wiązania np. CH4, CCl4,
C(NO ) .
2 4
Jeżeli kierunek wektora momentu dipolowego nie pokrywa się z kierunkiem wiązania (kierunek wektora momentu dipolowego
wiązania jest poprzeczny w stosunku do wiązania łączącego węgiel z grupą) momenty dipolowe wiązań nie zawsze się znoszą:
W przypadku grupy OH, grupa ta posiada rotację (wewnątrz zaznaczonego stożka) i
kierunek wektora m nie zawsze jest stały i nigdy nie pokrywa się z kierunkiem wiązania
R-OH.
Dlatego pentaerytrol , momo że posiada symetrię identyczną jak metan (zaznaczony atom
węgla znajduje się w środku tetraedru, a połączone z nim grupy w jego narożach), posiada
moment dipolowy różny od 0.
Pentaerytrol
Poprzeczny, wypadkowy moment dipolowy wiązań wykazują oprócz grupy hydroksylowej również grupy aminowa  NH2,
karboksylowa  COOH i pochodne tych grup (estrowa, amidowa, aminowa o różnej rzędowośći).
Poprzeczny moment dipolowy wiązania powoduje, że kwas trans-butendiowy (kwas fumarowy)w przeciwieństwie do trans-butenu
czy (E)-1,2-dichloroetenu posiada moment dipolowy:
Może wydawać się to dziwne, jednakże dla grupy nitrowej  NO2 wypadkowy moment dipolowy wiązania pokrywa się z kierunkiem
wiązania tej grupy z atomem węgla. Jest to dobrze widoczne gdy grupę nitrową zapiszemy z rozłożonymi (zdelokalizowanymi)
Å‚adunkami :
Dlatego w symetrycznie podstawionych związkach nitrowych wypadkowy moment dipolowy jest równy 0.
Mimo, że sumaryczny moment dipolowy jest sumą momentów dipolowych wiązań, w cząsteczkach bardziej złożonych od metanu
nie ma potrzeby rozpatrywania wszystkich cząstkowych momentów dipolowych, ponieważ w łańcuchu węglowodorowym
cząstkowe momenty wiązań kompensują się. Dodatkowo w szeregu homologicznym moment dipolowy jest praktycznie stały:
Momenty dipolowe w szeregu pochodnych alkanów R-X w fazie gazowej:
X
R
Cl Br OH NO2 CHO CN
CH 1,86 1,78 1,69 3,54 2,69 3,94
3-
CH3CH2- 2,02 2,02 1,69 3,70 2,73 4,04
3 z 4 2012-01-22 22:04
Moment dipolowy http://www.chemorganiczna.com/organiczna/kurs/16-moment-dipolowy...
CH CH CH 2,03 2,04 1,64 3,72 2,72 4,05
3 2 2-
CH CH CH CH 2,04 2,04 1,63 4,04
3 2 2 2-
Dane z podręcznika Chemia Organiczna Nanitescu
Zauważamy jedynie, że w każdym szeregu wartość momentu dipolowego dla CH
3-X odbiega od wartości momentu dipolowego dla
pozostałych członów szeregu homologicznego. Jest to spowodowane tym, że dodatkowe podstawniki alkilowe poprzez efekt
indukcyjny pozwalają grupie X uzyskać większy ładunek ujemny, dodatkowo ładunkiem dodatnim obdzielonych jest więcej atomów
wÄ™gla i Å›rednia odlegÅ‚ość miÄ™dzy tymi Å‚adunkami dodatnim a ujemnym zostaÅ‚a zwiÄ™kszona, powodujÄ…c zgodnie ze wzorem µ=ql
wzrost wartoÅ›ci µ:
W szeregu CH CH X i CH CH CH X wartość m nie zmienia się już, ponieważ efekt indukcyjny działa jedynie na krótkie odległości.
3 2 3 2 2
Warto w tym miejscu zapamiętać, że grupa alkilowa oddaje elektrony poprzez efekt indukcyjny, sama uzyskuje ładunek
dodatni. Mówimy że wykazuje ona efekt +I.
Grupa X natomiast w wyniku efektu indukcyjnego uzyskuje ładunek ujemny, wykazuje więc efekt  I.
Rozpatrując efekt indukcyjny (mezomeryczny) utożsamiamy się z rozpatrywaną grupą. Taki jaki ta grupa uzyskuje ładunek, taki
przypisujemy jej znak efektu indukcyjnego (mezomerycznego).
[1]Nie możemy o niej zapomnieć gdy szacujemy wielkość momentu dipolowego na podstawie elektroujemności składników
4 z 4 2012-01-22 22:04