Dipólový moment

Dipólový moment (označovaný ako p alebo μ) je vektorová veličina opisujúca dipóly.^[1] Používa sa na opísanie rozdelenia elektrického náboja, obvykle v molekule alebo malej skupine atómov.^[2] 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.^[1][2]

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 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 ${\displaystyle {\vec {d}}}$, je dipólový moment tejto dvojice nábojov rovný ${\displaystyle p=q{\vec {d}}}$.^[1] Vektor ${\displaystyle {\vec {d}}}$ smeruje od záporného náboja ku kladnému^[1][2] 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.^[1][2]

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

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

potom má dipólový moment hodnotu

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

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.^[2]

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.^[2]

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.^[2] 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.^[2]

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.^[2] Preto je nutné využívať viac rôznych metód na vytvorenie záverov o štruktúre.

Infračervená spektroskopia

Bližšie informácie v hlavnom článku: 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.^[3]

Referencie

Fyzikálny portál Chemický portál

1. dipólový moment. In: BÍNA, Jaroslav. Malá encyklopédia chémie. Bratislava : Obzor, 1981. S. 199.
2. GAŽO, Ján. Všeobecná a anorganická chémia. [s.l.] : Alfa, 1978. S. 142-145.
3. ATKINS, P. W.. Physical chemistry.. New York : W.H. Freeman and Co, 2010. (9th ed..) Dostupné online. ISBN 978-1-4292-1812-2.