Moment dipol electric

Mărimea fizică
Nume de familie	Moment dipol electric
Simbolul formulei	${\ displaystyle {\ vec {p}}, {\ vec {d}}}$
Dimensiune și sistem de unitate unitate dimensiune SI C · m I · L · T Gauss ( cgs ) D = 10 -18 · StatC · cm L 5/2 · M ½ · T −1 esE ( cgs ) D = 10 -18 · StatC · cm L 5/2 · M ½ · T −1 emE ( cgs ) abC · cm L 3/2 x M ½

Momentul dipol al unei molecule de H ₂ O.
roșu: sarcină parțială negativă
albastru: sarcină parțială pozitivă
verde: dipol direcțional

Momentul dipol electric caracterizează o separare a sarcinii spațiale. Are unul într-un corp, de ex. B. o moleculă , o sarcină electrică cu semn diferit în diferite locuri , astfel încât centrul de greutate al sarcinilor negative ( electroni ) și centrul de greutate al sarcinilor pozitive ( nucleii atomici ) să nu coincidă, atunci acest corp are o moment dipol electric. ${\ displaystyle {\ vec {p}}}$

În chimie , momentul dipol este o măsură a puterii unei molecule dipol și, astfel, a polarității unei molecule . Aceasta este cauzată de legături atomice polare sau, în cazuri extreme, de legături ionice .

Sunt posibili și alți dipoli (de ex. Dipoli magnetici ), care în consecință dezvoltă și alți momenti dipoli .

Convenția de direcție

În ceea ce privește direcția vectorului momentului dipol electric, există diferite convenții în diferitele departamente. În timp ce în fizică săgeata este trasă de la sarcina negativă la pozitivă, în chimie, de exemplu, este văzută exact invers, adică de la sarcina pozitivă la cea negativă.

calcul

Dacă există o sarcină pozitivă   cu vectorul de conexiune normalizat la o distanță de o sarcină negativă  (aceasta indică din sarcina negativă în direcția sarcinii pozitive) și aceste sarcini sunt conectate rigid între ele, această structură are un moment dipolar de marimea:${\ displaystyle -q}$${\ displaystyle l}$${\ displaystyle q}$${\ displaystyle {\ vec {e}} _ {l}}$

${\ displaystyle {\ vec {p}} = q \ cdot l \ cdot {\ vec {e}} _ {l}}$

Cu cât încărcarea  este mai mare, cu atât este mai mare momentul dipol. Chiar dacă încărcăturile se îndepărtează (cantitatea crescândă de ), momentul dipol crește. ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle {\ vec {l}}}$

Dacă, cu o distribuție discretă a sarcinii, există sarcini la locațiile relative la centrul de greutate al distribuției sarcinii, momentul dipolar total este alcătuit din momentele dipolare individuale : ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle q_ {i}}$${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}$${\ displaystyle {\ vec {p}}}$${\ displaystyle {\ vec {p}} _ {i}}$

${\ displaystyle {\ vec {p}} = \ sum _ {i = 1} ^ {n} {\ vec {p}} _ {i} = \ sum _ {i = 1} ^ {n} q_ {i } \, {\ vec {r}} _ {i}.}$

În cazul general al unei distribuții continue a sarcinii, momentul dipolar este calculat folosind densitatea sarcinii :${\ displaystyle \ rho ({\ vec {r}})}$

${\ displaystyle {\ vec {p}} = \ int _ {V} \ rho ({\ vec {r}}) \ cdot {\ vec {r}} \, \ mathrm {d} ^ {3} r}$

Cazul discret apare din general, dacă densitatea sarcinii este reprezentată de sarcinile individuale și distribuția delta : ${\ displaystyle \ rho ({\ vec {r}})}$${\ displaystyle q_ {i}}$ ${\ displaystyle \ delta ({\ vec {r}} - {\ vec {r}} _ {i})}$

${\ displaystyle \ rho ({\ vec {r}}) = \ sum _ {i = 1} ^ {n} q_ {i} \, \ delta ({\ vec {r}} - {\ vec {r} } _ {i}).}$

Integrala de volum atunci oferă doar contribuțiile la locațiile taxelor, astfel încât să obținem: ${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}$

${\ displaystyle {\ vec {p}} = \ int _ {V} \ sum _ {i = 1} ^ {n} q_ {i} \, \ delta ({\ vec {r}} - {\ vec { r}} _ {i}) \, {\ vec {r}} \, \ mathrm {d} ^ {3} r = \ sum _ {i = 1} ^ {n} q_ {i} \, {\ vec {r}} _ {i}}$

În general, un potențial poate fi dezvoltat într-o parte constantă și în părți multipolare , inclusiv momentul dipolar.

unitate

În ciuda trecerii la Sistemul Internațional de Unități (SI) , unitatea cgs Debye este încă utilizată ca unitate a momentului dipolar, numită după fizicianul olandez Peter Debye . Motivul pentru aceasta este că atunci când se utilizează unitățile SI coulomb și metru ar trebui să se ocupe de numere foarte mici:

${\ displaystyle [p] = 1 \, \ mathrm {Debye} = 3 {,} 33564 \ cdot 10 ^ {- 30} \, \ mathrm {Coulomb} \ cdot \ mathrm {Meter}}$

Pentru molecule, momentul dipol este de obicei în intervalul de la 0 Debye la 12 Debye. Cel mai polar compus neionic, complet saturat este Debye all- cis -1,2,3,4,5,6-hexafluorociclohexan cu un moment dipol de 6,2 . La 14.1 Debye, compusul neionic, dar nesaturat, 5,6-diaminobenzo-1,2,3,4-tetracarbonitril este din nou semnificativ mai polar.

Momentul dipolar poate fi determinat folosind ecuația Debye prin măsurarea constantei dielectrice . Măsurătorile efectului Stark oferă, de asemenea, informații despre momentul dipol al unei substanțe.

Momente dipolare de stări excitate

Cunoașterea schimbării momentelor dipol moleculare cu excitație electronică este esențială pentru înțelegerea proceselor naturale importante foto-induse, cum ar fi fotosinteza sau procesul viziunii . Măsurarea schimbărilor de lungime de undă solvatacromice sau termocromice în soluții poate fi utilizată pentru a determina momentele dipolare ale stărilor excitate .

Momentele dipolare

• μ _{G și} în starea de bază a moleculei
• μ _E în starea excitată a moleculei

poate fi calculat folosind ecuația Lippert-Mataga :

${\ displaystyle {\ overline {\ nu}} _ {A} - {\ overline {\ nu}} _ {E} = {\ frac {2} {hc}} {\ biggl (} {\ frac {\ varepsilon -1} {2 \ varepsilon +1}} - {\ frac {n ^ {2} -1} {2n ^ {2} +1}} {\ biggr)} {\ frac {(\ mu _ {G} ) - \ mu _ {E}) ^ {2}} {a ^ {3}}} + const.}$

Cu

• trecerea Stokes ${\ textstyle {\ overline {\ nu}} _ {A} - {\ overline {\ nu}} _ {E}}$
• constanta lui Planck ${\ displaystyle h}$
• viteza luminii în vid${\ displaystyle c}$
• permitivitatea  gruparea e solventului
• indicele de refracție  n al solventului
• raza  a a cavității solventului .

Momentele dipolice ale moleculelor în faza gazoasă pot fi determinate mult mai precis prin spectroscopie electronică Stark .

Vezi si

• Forța dipolului

literatură

• Otto Exner: Momente dipolice în chimia organică. Stuttgart 1975, ISBN 3-13-523501-7 .

Dovezi individuale

1. ↑ Gordon M. Barrow: CHIMIE FIZICĂ . Ediția a 6-a, corectată. Editie completa. Bohmann Verlag, Viena 1984, ISBN 3-528-53806-6 , Partea I 7 - Momente moleculare electrice și magnetice, p. 247-259 . 
2. ↑ Peter W. Atkins, Loretta Jones: chimie - pur și simplu totul . Ed.: Rüdiger Faust. Ediția a II-a. WILEY-VCH, Weinheim 2006, ISBN 978-3-527-31579-6 , pp. 86 . 
3. ↑ La o temperatură de 20 ° C și o presiune de 101,325 kPa.
4. ↑ ^{a b c d e f g h} David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics . Ediția a 87-a. B&T, 2006, ISBN 0-8493-0487-3 . 
5. ^ David Frank Eggers: chimie fizică . Wiley, 1964, ISBN 978-0-471-23395-4 , pp. 572 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
6. ↑ ^{a b c d e} BI Bleaney, Betty Isabelle Bleaney, Brebis Bleaney: Electricity and Magnetism . Ediția a 3-a. Vol. 2. OUP Oxford, 2013, ISBN 978-0-19-964543-5 , pp. 303 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
7. ^ Jean-Marie André, Joseph Delhalle, Jean Luc Brédas: Proiectarea asistată de chimia cuantică a polimerilor organici O introducere în chimia cuantică a polimerilor și a aplicațiilor sale . World Scientific, 1991, ISBN 978-981-02-0004-6 , pp. 89 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
8. ↑ Jacob N. Israelachvili: Intermolecular and Surface Forces Revised Third Edition . Academic Press, 2011, ISBN 978-0-12-391927-4 , pp. 72 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
9. ↑ Paul Allen Tipler, Gene Mosca: Fizică pentru studenții științelor naturale și tehnologiei . Ed.: Peter Kersten, Jenny Wagner. Ediția a VIII-a. Springer Spectrum, Berlin / Heidelberg 2019, ISBN 978-3-662-58281-7 , p. 684 . 
10. ^ ^{A b} Ernst-Wilhelm Otten: Repetitorium Experimentalphysik . Springer, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-85788-4 , pp. 464 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
11. ↑ Armin Wachter, Henning Hoeber: Repetitorium Theoretische Physik . Springer, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-662-09755-7 , pp. 175 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
12. ↑ Ralf Steudel: Chimia nemetalelor cu structură atomică, geometrie moleculară și teoria legăturilor . Walter de Gruyter, 1998, ISBN 978-3-11-015902-8 , p. 137 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
13. ^ Neil S. Keddie, Alexandra MZ Slawin, Tomas Lebl, Douglas Philp, David O'Hagan: All-cis 1,2,3,4,5,6-hexafluorociclohexan este un ciclohexan polarizat facial. În: Chimia naturii . 7, 2015, pp. 483-488, doi: 10.1038 / nchem.2232 , PMID 25991526 .
14. ↑ Stephen K. Ritter: Molecule Claims Most Polar Title . În: Știri despre chimie și inginerie . 93 (13), 2015, p. 5.
15. ↑ Stephen K. Ritter: Benzenul defect stabilește un nou record de polaritate . În: Știri despre chimie și inginerie. 94 (7), 2016, p. 23.
16. ↑ Jakob Wudarczyk, George Papamokos, Vasilis Margaritis, Dieter Schollmeyer, Felix Hinkel, Martin Baumgarten, George Floudas, Klaus Müllen: Benzeni hexasubstituiți cu momente dipolice ultrastrong. În: Angewandte Chemie International Edition. 55, 2016, pp. 3220–3223, doi: 10.1002 / anie.201508249 .
17. ↑ E. Lippert: Determinarea spectroscopică a momentului dipolar al compușilor aromatici în prima stare singletă excitată . În: Z. Electrochem. bandă 61 , 1957, pp. 962 . 
18. ↑ N. Mataga, Y. Kaifu, M. Koizumi: Efecte de solvent asupra spectrelor de fluorescență și momentele dipolice ale moleculelor excitate . În: Bull. Chem. Soc. Jpn . bandă 29 , 1956, pp. 465 . 
19. ↑ Josefin Wilke, Martin Wilke, W. Leo Meerts, Michael Schmitt: Determinarea momentelor dipolului stării solului și excitatului prin spectroscopie electronică Stark: 5-metoxindol . În: Jurnalul de fizică chimică . bandă 144 , nr. 4 , 28 ianuarie 2016, ISSN  0021-9606 , p. 044201 , doi : 10.1063 / 1.4940689 .