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), dzięki czemu ma pewien cząstkowy 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
Å‚adunku ujemnego nazywane sÄ… czÄ…steczkami polarnymi. CzÄ…steczki takie, podobnie jak w fizyce,
stanowią dipole elektryczne i posiadają moment dipolowy ź.
Wartość tego mementu 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 czÄ…steczki 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:
ź=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:
. Skąd x=17,7%, co można przyjąć, że wiązanie w chlorowodorze jest tylko w około
18% wiÄ…zaniem 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:
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 pochodząca od wolnych
par elektronowych nosi nazwę 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: CO2, CS2 i SO2
mogą mieć różne momenty dipolowe. Tlenek węgla(IV) i siarczek 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:
BeCl2 ź=0D
H2S ź=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:
Czyli sama grupa CH3 posiada moment dipolowy m=0,3D. ZastÄ…pienie jednego atomu wodoru
kolejną grupą CH3 (przejście od 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) są niepolarne, posiadają moment dipolowy ź=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 siÄ™ kierunkiem wiÄ…zania np. CH4, CCl4, C(NO2)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 rotacjÄ™ (wewnÄ…trz
zaznaczonego stożka) i kierunek wektora m nie zawsze jest stały i
nigdy nie pokrywa siÄ™ z kierunkiem wiÄ…zania 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) ładunkami :
Dlatego w symetrycznie podstawionych zwiÄ…zkach 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
CH3- 1,86 1,78 1,69 3,54 2,69 3,94
CH3CH2- 2,02 2,02 1,69 3,70 2,73 4,04
CH3CH2CH2- 2,03 2,04 1,64 3,72 2,72 4,05
CH3CH2CH2CH2 2,04 2,04 1,63 4,04
-
Dane z podręcznika Chemia Organiczna Nanitescu
Zauważamy jedynie, że w każdym szeregu wartość momentu dipolowego dla CH3-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 węgla i średnia odległość między tymi ładunkami dodatnim a ujemnym została zwiększona,
powodując zgodnie ze wzorem ź=ql wzrost wartości ź:
W szeregu CH3CH2X i CH3CH2CH2X wartość m nie zmienia się już, ponieważ efekt indukcyjny
działa jedynie na krótkie odległości.
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 Å‚adunek, taki przypisujemy jej znak efektu indukcyjnego (mezomerycznego).
[1] Nie możemy o niej zapomnieć gdy szacujemy wielkość momentu dipolowego na podstawie
elektroujemności składników