MOMENTO DI DIPOLO: COME SI CALCOLA ED ESEMPI - CHIMICA - 2025

Il momento di dipolo è una proprietà chimica che indica come le cariche elettriche eterogenee sono distribuite in una molecola. È espresso in unità di Debye, 3,33 · 10 ^-30 C · m, e generalmente i suoi valori vanno da 0 a 11 D.

I composti altamente polari tendono ad avere grandi momenti di dipolo; mentre quelle apolari, piccoli momenti di dipolo. Più le cariche elettriche sono polarizzate in una molecola, maggiore è il suo momento di dipolo; cioè, deve esserci una regione ricca di elettroni, δ-, e un'altra povera di elettroni, δ +.

La gomma bicolore funge da analogia con due poli, positivo e negativo, di una molecola con un marcato momento di dipolo. Fonte: Pexels.

Il momento di dipolo, μ, è una quantità vettoriale, quindi è influenzato dagli angoli dei legami e, in generale, dalla struttura molecolare.

Quando la molecola è lineare, può essere paragonata a una gomma bicolore. La sua estremità negativa δ-, corrisponderebbe al colore rosso; mentre il positivo, δ +, sarebbe blu. All'aumentare dell'ampiezza delle cariche negative al polo the e della distanza che lo separa da δ +, il momento di dipolo aumenta.

Chimicamente, quanto sopra significa che maggiore è la differenza di elettronegatività tra due atomi e maggiore è la distanza che li separa, maggiore è il momento di dipolo tra di loro.

Come viene calcolato il momento di dipolo?

È considerato un legame covalente tra due atomi, A e B:

AB

La distanza tra le cariche parziali positive e negative è già definita dalla lunghezza del loro legame:

Un ^{δ +} -B ^δ-

Poiché protoni ed elettroni hanno la stessa grandezza di carica elettrica ma con segni opposti, 1,6 · 10 ^-19 C, questo è ciò che viene preso in considerazione quando si valuta il momento di dipolo tra A e B utilizzando la seguente equazione:

μ = δd

Dove μ è il momento di dipolo, δ è la carica dell'elettrone senza segno negativo e d è la lunghezza del legame espressa in metri. Ad esempio, supponendo che d abbia un valore di 2 Å (1 · ^10-10 m) il momento di dipolo, μA-B sarà:

μA-B = (1,6 ^10-19 C) (2 ^10-10 m)

= 3,2 ^10-29 C m

Ma poiché questo valore è molto piccolo, viene utilizzata l'unità Debye:

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

= 9,60 D

Questo valore di μA-B potrebbe far supporre che il legame AB sia più ionico che covalente.

Esempi

acqua

Momento di dipolo di una molecola d'acqua. Fonte: Gabriel Bolívar.

Per calcolare il momento di dipolo di una molecola, tutti i momenti di dipolo dei rispettivi legami devono essere sommati vettorialmente, considerando gli angoli di legame e un po 'di trigonometria. Questo all'inizio.

L'acqua ha uno dei più grandi momenti di dipolo che ci si potrebbe aspettare da un composto covalente. Nell'immagine in alto abbiamo che gli atomi di idrogeno hanno cariche parziali positive, δ +, mentre l'ossigeno porta la carica parziale negativa, δ-. Il legame OH è abbastanza polare (1.5D), e ci sono due di loro in un H ₂ O molecola .

Di solito, viene disegnato un vettore diretto dall'atomo meno elettronegativo (H) a quello più elettronegativo (O). Sebbene non disegnati, sull'atomo di ossigeno ci sono due coppie di elettroni non condivisi, che "concentrano" ancora di più la regione negativa.

A causa della geometria angolare di H ₂ O, i momenti di dipolo si sommano nella direzione dell'atomo di ossigeno. Si noti che la somma dei due μO-H darebbe 3D (1,5 + 1,5); ma non è così. Il momento di dipolo dell'acqua ha un valore sperimentale di 1,85D. L'effetto dell'angolo vicino a 105 ° tra i legami HOH è mostrato qui.

metanolo

Momento di dipolo di una molecola di metanolo. Fonte: Gabriel Bolívar.

Il momento di dipolo del metanolo è 1,69D. È inferiore a quello dell'acqua. Pertanto, le masse atomiche non hanno molta influenza sul momento di dipolo; ma i loro raggi atomici lo sono. Nel caso del metanolo, non possiamo dire che il suo legame HO abbia un μ uguale a 1.5D; poiché gli ambienti molecolari sono diversi in CH ₃ OH e H ₂ O.

Questo è il motivo per cui la lunghezza del legame HO nel metanolo dovrebbe essere misurata per calcolare μO-H. Ciò che si può dire è che μO-H è maggiore di μC-O, poiché la differenza di elettronegatività tra carbonio e ossigeno è inferiore a quella tra idrogeno e ossigeno.

Il metanolo è elencato come uno dei solventi più polari che si possono trovare insieme all'acqua e all'ammoniaca.

Ammoniaca

Momento di dipolo di una molecola di ammoniaca. Fonte: Gabriel Bolívar.

I legami HN sono piuttosto polari, quindi l'azoto, a causa della sua maggiore elettronegatività, attrae gli elettroni verso se stesso (immagine in alto). Oltre a questo, su di esso abbiamo una coppia di elettroni non condivisa, che contribuiscono con le loro cariche negative alla regione δ. Pertanto, le cariche elettriche predominano sull'atomo di azoto dell'ammoniaca.

L'ammoniaca ha un momento di dipolo di 1,42D, inferiore a quello del metanolo. Se sia l'ammoniaca che il metanolo potessero essere trasformati in gomme da cancellare, si vedrebbe che la gomma da cancellare al metanolo ha poli più definiti rispetto alla gomma ad ammoniaca.

etanolo

Nel caso dell'etanolo, CH ₃ CH ₂ OH, il suo momento di dipolo è molto vicino a quello del metanolo, ma tende ad avere valori inferiori. Poiché ci sono più atomi di carbonio che compongono la regione δ +, l'atomo di ossigeno che rappresenta δ- inizia a perdere parte della sua "intensità relativa negativa".

Diossido di carbonio

Momento di dipolo di una molecola di anidride carbonica. Fonte: Gabriel Bolívar.

L'anidride carbonica ha due legami polari, C = O, con i rispettivi momenti di dipolo μO-C. Tuttavia, come si può vedere nell'immagine sopra, la geometria lineare della CO ₂ fa sì che i due μO-C si annullino a vicenda in modo vettoriale, anche quando il carbonio ha una carica parziale positiva e gli ossigeni hanno cariche parziali negative.

Per questo motivo, l'anidride carbonica è una molecola apolare, poiché μCO ₂ ha un valore di 0D.

Metano

Momento di dipolo per una molecola di metano. Fonte: Gabriel Bolívar.

Sia il metano che l'anidride carbonica hanno qualcosa in comune: sono molecole altamente simmetriche. In generale, più una molecola è simmetrica, minore è il suo momento di dipolo.

Se guardiamo la molecola CH ₄ , i suoi legami CH sono polari e gli elettroni sono diretti verso l'atomo di carbonio poiché è leggermente più elettronegativo. Si potrebbe pensare che il carbonio debba essere una regione δ altamente negativa; come una gomma con il centro rosso intenso e le estremità bluastre.

Tuttavia, dividendo il CH ₄ a metà si otterrebbero due metà HCH, una a sinistra e l'altra a destra, simili alla molecola H ₂ O. Pertanto, il momento di dipolo risultante dall'aggiunta di questi due μC-H si annullerebbe con l'altra metà. E quindi, μCH ₄ ha un valore di 0D.

Riferimenti

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7. Wikipedia. (2020). Momento di dipolo di legame. Estratto da: en.wikipedia.org