Dipólový moment

Bodový dipól (vľavo hore), fyzikálny dipól tvorený dvoma opačnými nábojmi (vpravo hore), polarizovaný disk (vľavo dole) a kondenzátor (vpravo dole) tvoria rovnaké elektrické pole, ak sú dostatočne malé.

Dipólový moment (označovaný ako p alebo μ) je vektorová veličina opisujúca dipóly. Používa sa na opísanie rozdelenia elektrického náboja, obvykle v molekule alebo malej skupine atómov. V polárnych molekulách je rozloženie asymetrické, v nepolárnych molekulách majú náboje rozložené symetricky. Jednotka dipólového momentu v sústave SI je meter ampér sekunda (m·A·s). Staršia ale stále používaná jednotka je Debye, ktorý má hodnotu 1 D = 0,333 m A s.

Dipólový moment môže byť trvalý (permanentný), pokiaľ je v molekule prítomný stále, alebo prechodný, pokiaľ v molekule vzniká len v určitých podmienkach (vplyvom vonkajšieho elektrického poľa, počas excitácie alebo napríklad pri interakcii s iným dipólom).

Dipólový moment sa niekedy označuje ako elektrický dipólový moment, aby nedošlo k zámene s magnetickým dipólovým momentom.

Výpočet

V najjednoduchšom prípade, kedy sú dva bodové náboje s opačným znamienkom +q a -q umiestnené vo vzdialenosti ${\vec {d}}$, je dipólový moment tejto dvojice nábojov rovný $p=q{\vec {d}}$. Vektor ${\vec {d}}$ smeruje od záporného náboja ku kladnému a leží na spojnici bodových nábojov. V zložitejších molekulách je celkový dipólový moment súčtom dipólových momentov jednotlivých skupín. Čiastkový dipólový moment možno priradiť každej väzbe a celkový dipólový moment je daný ich súčtom.

Keď je elektrický náboj v priestore rozložený s hustotou $\rho ({\vec {r}})$ (kde ${\vec {r}}$ označuje polohový vektor) a celkový náboj je nulový, teda platí ^{[chýba zdroj]}

$\int \limits _{V}\rho dV=0$,

potom má dipólový moment hodnotu

$p=\int {\vec {r}}\rho ({\vec {r}})dV$.

Podľa hodnoty dipólového momentu sa v chémii rozlišujú polárne a nepolárne molekuly.

Význam

Pomocou dipólového momentu sa určuje polarita molekuly. Na základe dipólového momentu je takisto možné usúdiť, ako je náboj v molekule rozložený, čo umožňuje opísať štruktúru látky a priestorové usporiadanie jednotlivých atómov.

Dvojatómové molekuly

Pre dvojatómové molekuly je možné určiť napríklad charakter väzby. Podľa známej dĺžky väzby je možné spočítať teoretický dipólový moment pre iónovú zlúčeninu (napr. teoretickú zlúčeninu H⁺–A^-) a porovnaním so skutočným dipólovým momentom možno zistiť ako veľmi kovalentná táto väzba skutočne je. Teoretický dipólový moment HCl by bol 6,15 D v prípade iónovej väzby (H⁺–Cl^-), skutočný dipólový moment je však len 1,03 D. Pomer týchto čísel (1,03/6,15 = 0,17) umožňuje spočítať, že väzba je z 83 % kovalentná.

Trojatómové a viacatómové molekuly

Vodá má nenulový dipólový moment (zelená). Každá väzba O–H má dipólový moment a tieto dipólové momenty sa vzájomne nevyrušia (ich súčet je nenulový), takže voda má nenulový dipólový moment.

Ak má molekula tri atómy usporiadané lineárne (napr. CO₂), dipólové momenty sa vzájomne vyrušia a celkový dipólový moment je nulový. Naopak, ak má molekula lomený tvar, je celkový dipólový moment nenulový. Tým je možné určiť približný tvar molekuly. Podobné závery platia i pre molekuly s väčším počtom atómov - SO₃ má nulový dipólový moment, čo naznačuje planárne usporiadanie; NH₃ má nenulový dipólový moment, takže má pyramidálne usporiadanie.

Voľné elektrónové páry majú takisto vlastný dipólový moment, čo môže niekedy spôsobovať komplikácie pri určovaní štruktúry len na základe dipólového momentu. V molekule NH₃ má tento dipólový moment rovnaký smer ako dipóly N–H, takže dochádza k skladaniu dipólových momentov. Oproti tomu molekula NF₃, ktorá má pyramidálnu štruktúru, má takmer nulový dipólový momente, pretože dipólový moment voľného elektrónového páru má opačný smer ako momenty N–F, takže dochádza k vzájomnému vyrušeniu. Preto je nutné využívať viac rôznych metód na vytvorenie záverov o štruktúre.

Infračervená spektroskopia

Dipólový moment je veľmi dôležitý v infračervenej spektroskopii. Pri absorpcii žiarenia musí aspoň prechodne vznikať dipólový moment, aby bolo možné túto absorpciu pozorovať v spektre. Miera zmeny dipólu potom hovorí, ako veľmi sa zmenilo rozloženie náboja v molekule počas absorpcie žiarenia (prechodu medzi rôznymi energetickými stavmi). Rotačné spektrá existujú len pre molekuly, ktoré majú permanentný dipólový moment.

Referencie

Fyzikálny portál Chemický portál