El moment dipolar és una propietat química que indica com de heterogèniament estan distribuïdes les càrregues elèctriques en una molècula. Ve expressada en unitats de Debye, 3,33 · 10 -30 C · m, i en general els seus valors oscil·len des 0 a 11 D.
Els compostos altament polars tendeixen a tenir moments dipolars grans; mentre que els apolars, moments dipolars petits. Com més polaritzades estiguen les càrregues elèctriques en una molècula, major serà el seu moment dipolar; és a dir, ha d'haver una regió rica en electrons, δ-, i una altra pobra en electrons, δ +.
L'esborrany de dos colors serveix d'analogia de dos pols, positiu i negatiu, d'una molècula amb marcat moment dipolar. Font: Pexels.
El moment dipolar, μ, és una magnitud vectorial, per la qual cosa es veu afectada pels angles dels enllaços i, en general, per l'estructura molecular.
Quan la molècula és lineal, s'assembla a un esborrany de dos colors. El seu extrem negatiu δ-, correspondria a l'color vermell; mentre que el positiu, δ +, vindria a ser el color blau. A mesura que s'incrementa les magnituds de les càrregues negatives en el pol δ-, i la distància que el separa de δ +, el moment dipolar augmenta.
Químicament l'anterior significa que com més gran sigui la diferència de electronegativitat entre dos àtoms, i més llarga sigui la distància que els separa, més gran serà el moment dipolar existent entre ells.
Com es calcula el moment dipolar?
Es considera un enllaç covalent entre dos àtoms, A i B:
AB
La distància entre les càrregues parcials positives i negatives ja ve definida per la longitud del seu enllaç:
A δ + -B δ-
A causa que els protons i els electrons tenen la mateixa magnitud de càrrega elèctrica però amb signes oposats, 1.6 · 10 -19 C, aquesta és la que es té en compte a l'avaluar el moment dipolar entre A i B mitjançant la següent equació:
μ = δ · d
On μ és el moment dipolar, δ és la càrrega de l'electró sense el signe negatiu, i d la longitud d'l'enllaç expressada en metres. Per exemple, assumint que d té un valor de 2 Å (1 · 10 -10 m) el moment dipolar, μA-B serà:
μA-B = (1.6 · 10 -19 C) · (2 · 10 -10 m)
= 3,2 · 10 -29 C · m
Però atès que aquest valor és molt petit, es recorre a la unitat de l'Debye:
μ = (3,2 · 10 -29 C · m) · (1 D / 3,33 · 10 -30 C · m)
= 9,60 D
Aquest valor de μA-B podria donar a suposar que l'enllaç AB és més iònic que covalent.
exemples
aigua
Moment dipolar d'una molècula d'aigua. Font: Gabriel Bolívar.
Per calcular el moment dipolar d'una molècula cal sumar vectorialment tots els moments dipolars dels seus respectius enllaços, considerant els angles d'enllaços i una mica de trigonometria. Això en un principi.
L'aigua té un dels majors moments dipolars que podria esperar-se per un compost covalent. A la imatge superior tenim que els àtoms d'hidrogen tenen càrregues parcials positives, δ +, mentre que l'oxigen porta la càrrega parcial negativa, δ-. L'enllaç OH és bastant polar (1.5D), i hi ha dos d'ells en una molècula d'H 2 O.
En general, es dibuixa un vector que es dirigeix des de l'àtom menys electronegatiu (H) cap al més electronegatiu (O). Tot i que no es dibuixin, sobre l'àtom d'oxigen hi ha dos parells d'electrons no compartits, els quals "concentren" encara més la regió negativa.
A causa de la geometria angular de l'H 2 O, els moments dipolars es sumen en direcció de l'àtom d'oxigen. Cal notar que la sumatòria dels dos μO-H donaria 3D (1.5 + 1.5); però no és així. El moment dipolar d'l'aigua té un valor experimental d'1.85D. Aquí es mostra l'efecte que té l'angle proper de 105º entre els enllaços HOH.
metanol
Moment dipolar d'una molècula de metanol. Font: Gabriel Bolívar.
El moment dipolar d'el metanol és de 1.69D. És menor que el de l'aigua. Per tant, les masses atòmiques no tenen massa influència en el moment dipolar; però sí les seves ràdios atòmics. En el cas de l'metanol, no podem afirmar que el seu enllaç HO tingui un μ igual a 1.5D; ja que, els entorns moleculars són diferents en el CH 3 OH i H 2 O.
És per això que caldria mesurar la longitud de l'enllaç HO al metanol per poder calcular μO-H. El que sí es pot afirmar és que μO-H és més gran que μC-O, ja que la diferència d'electronegativitat entre el carboni i oxigen és menor que entre l'hidrogen i oxigen.
El metanol es cataloga com un dels solvents més polars que pot trobar-se juntament amb l'aigua i l'amoníac.
amoníac
Moment dipolar d'una molècula d'amoníac. Font: Gabriel Bolívar.
Els enllaços HN són bastant polars, de manera que el nitrogen arran de la seva major electronegativitat atrau els electrons cap a si (imatge superior). A més d'això, sobre ell tenim un parell d'electrons no compartit, que aporten les seves càrregues negatives a la regió δ-. Per tant, les càrregues elèctriques predominen en l'àtom de nitrogen de l'amoníac.
L'amoníac té un moment dipolar de 1.42D, menor que el de l'metanol. Si tant l'amoníac com el metanol poguessin transformar-se en esborranys, es veuria que l'esborrany de l'metanol presenta pols més definits en comparació a l'esborrany de l'amoníac.
etanol
En el cas de l'etanol, CH 3 CH 2 OH es té que el seu moment dipolar és molt proper a el de el metanol, però tendeix a tenir valors inferiors. A l'haver-hi més àtoms de carboni component la regió δ +, l'àtom d'oxigen representant a δ-, comença a perdre una mica de la seva "intensitat negativa relativa".
Diòxid de carboni
Moment dipolar d'una molècula de diòxid de carboni. Font: Gabriel Bolívar.
El diòxid de carboni té dos enllaços polars, C = O, amb els seus respectius moments dipolars μO-C. Això no obstant, com s'aprecia en la imatge superior, la geometria lineal de l'CO 2 fa que vectorialment els dos μO-C es cancel·lin entre si, tot i que el carboni tingui càrrega parcial positiva i els oxígens càrregues parcials negatives.
Per aquesta raó el diòxid de carboni és una molècula apolar, ja que μCO 2 té un valor de 0D.
metà
Moment dipolar per una molècula de metà. Font: Gabriel Bolívar.
Tant el metà com el diòxid de carboni comparteixen alguna cosa en comú: són molècules altament simètriques. En general, com més simètrica sigui una molècula, menor serà el seu moment dipolar.
Si veiem la molècula de CH 4, els seus enllaços CH són polars, i els electrons es dirigeixen cap a l'àtom de carboni per ser lleument més electronegatiu. Es podria pensar que el carboni hauria de ser una regió δ- altament negativa; com un esborrany amb el seu centre de color vermell intens i els seus extrems blaus.
No obstant això, a l'dividir-se el CH 4 per la meitat obtindríem dues meitats espatlles, una a l'esquerra i l'altra la dreta, similars a la molècula H 2 O. Així doncs, el moment dipolar resultant de sumar aquests dos μC-H es cancelería amb el de l'altra meitat. I per tant, μCH 4 té un valor de 0D.
referències
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- Walter J. Moore. (1963). Physical Chemistry. In Chemical Kinetics. Fourth edition, Longmans.
- Ira N. Levine. (2009). Principis de fisicoquímica. Sisena edició, pàg 479-540. Mc Graw Hill.
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 de gener de 2020). Dipole Moment Definition. Recuperat de: thoughtco.com
- Blaber Mike. (29 de setembre de al 2019). Dipole Moments. Chemistry LibreTexts. Recuperat de: chem.libretexts.org
- Larita Williams. (2020). Dipole Moment: Definition, Equation & Examples. Study. Recuperat de: study.com
- Wikipedia. (2020). Bond Dipole Moment. Recuperat de: en.wikipedia.org