dipolni moment1

Dipolni moment

Kaj se boste naučili v tem poglavju?

Spoznali boste dipolni moment kot fizikalno veličino, s katero se izraža polarnost oz. nepolarnost molekul. Naučili se boste ocenjevati usmeritev vektorja dipolnega momenta v vezi in spoznali, da je dipolni moment molekule vektorska vsota dipolnih momentov posameznih vezi. Spoznali boste tudi, kako razporeditev atomov v prostoru vpliva na simetrijo molekule in s tem na vrednost dipolnega momenta.

Kot predznanje je potrebno razumevanje in pravilna uporaba pojma elektronegativnost in razumevanje slik s prikazom porazdelitve gostote elektronov na površini molekul.

Ponovitev snovi

V prejšnjem poglavju ste spoznali, da zaradi razlik v elektronegativnosti atomov v vezi atom, ki je bolj elektronegativen, pritegne vezni elektronski par, zato okoli atomov v vezi elektronska gostota ni razporejena enakomerno. Na atomu, ki je bolj elektronegativen, se elektronska gostota poveča, nastane delni negativni naboj (δ −), na atomu, ki je delno izgubili elektron, ki ga je prispeval v vez, se elektronska gostota zmanjša, nastane delni pozitivni naboj (δ +). Vez med takima atomoma je polarna kovaletna. V primeru, da je razlika v elektronegativnosti dveh atomov velika ( npr. večja od 1,7), je vezni elektronski par večino časa na atomu, ki je bolj elektronegativen; nastaneta anion in kation. Če je razlika v elektronegativnosti dveh atomov manjša od 0,4, pa je vezni elektronski par večino časa med jedroma obeh atomov. Taka vez je kovalentna, vendar nepolarna, ker ne pride do delne ločitve nabojev. V tem poglavju bomo spoznali nekatere posledice ločitve nabojev.

Elektronska gostota (elektrostatični potencial) na površini molekule HCl. Okoli modela atoma vodika je barva potenciala modra (d +), okoli modela atoma klora je barva rdeča (d −).

Kaj je statična elektrika?

Se vam je že kdaj pri česanju zgodilo, da so vam začeli lasje štrleti na vse strani?

Ko s plastičnim glavnikom drgnete po laseh, pride do prenosa elektronov z las na glavnik. Prenosu elektronov z enega materiala na drugega pravimo statična elektrika. Lasje, ki so sicer sestavljeni iz nevtralnih beljakovinskih makromolekul, postanejo zaradi izgube elektronov pozitivno naelektreni in se zato odbijajo, kar opazimo kot neprijetno štrljenje.

Statična elektrika in vodni curek

S poskusom bomo ugotovili, kako statična elektrika učinkuje na curek vode in curek tetraklorometana.

V levo bireto nalijemo 50 mL vode, v desno pa 50 mL organskega topila, CCl₄. Iztoka uravnamo tako, da voda in topilo iztekata v tankem curku. Napihnemo balon in z njim močno podrgnemo ob kos krzna. Balon se pri drgnjenju naelektri. Z naelektrenim balonom se enkrat približamo curku vode in opazujemo, kaj se dogaja z vodnim curkom in drugič curku tetraklorometana. Poskus lahko večkrat ponovimo. Svetujemo, da si posnetek večkrat ogledate, da boste lažje opisali rezultate poskusa.

Vpišite razultate poskusa.

Dopolnite manjkajoče besede. Pazite na pravilno črkovanje besed!

Naelektrena površina povzroči, da se curek vode proti balonu.

Curek organskega se JXUwMDM2JXUwMDBi odkloni, ko mu približamo balon.

Molekula vode je permanentni dipol

Na sliki, ki prikazuje razporeditev elektronske gostote na površini molekule vode, je na modelu atoma kisika delni negativni naboj (δ −), na modelu atoma vodika pa delni pozitivni naboj (δ +). Vez O−H je polarna, ker je atom kisika bolj elektronegativen kot atom vodika. Vezna elektronska para sta premaknjena k atomu kisika. Fizikalna veličina, ki opredeljuje polarnost vezi, je električni dipolni moment. Električni dipolni moment (oznaka p_e) je vektorska veličina, katere velikost je enaka produktu pozitivnega (ali negativnega) naboja in razdalje med nabojema, usmerjen je v smeri od negativnega proti pozitivnemu naboju. Vektor označimo s posebno puščico (glej animacijo). Mednarodni sistem enot določa za električni dipolni moment sestavljeno enoto C m, vendar se za navajanje električnih dipolnih momentov molekul uporablja manjša enota debye (D).

1 D = 3,336 x 10^-30 C m

Molekule, ki imajo električni dipolni moment, so permanentni (stalni) dipoli. Molekula vode je permanentni dipol.

Vsaka vez O−H v molekuli vode ima električni dipolni moment. Dipolna momenta vezi O−H sta usmerjena od delno negativnega atoma kisika (δ −) proti delno pozitivnima atomoma vodika (δ +). Dipolni moment molekule vode je vektorska vsota električnih dipolnih momentov posameznih vezi v molekuli. Ker je v molekuli vode kot med vezmi O−H 104,5^o, je električni dipolni moment molekule vode večji, kot je električni dipolni moment posamezne vezi O−H, njegova vrednost je 1,84 D. Ker imajo molekule vode električni dipolni moment, na usmeritev dipolnih momentov učinkujejo naelektreni materiali (pojav statične elektrike), v primeru poskusa je bila to naelektrena površina balona. Curek vode se je močno odklonil proti naelektrenemu balonu.

Animacija prikaza dipolnega momenta na molekuli vode

Preverite razumevanje

	Na sliki je prikazana razporeditev elektronske gostote na površini molekule vodikovega klorida (HCl). Najprej dobro poglejte sliko in nato kliknite na sliko, da se bo odprla animacija, ki prikazuje smer električnega dipolnega momenta v molekuli. Poiščite pravilne trditve.
Kliknite na sliko.

	Atom klora je bolj elektronegativen kot atom vodika.
	Na atomu vodika je delni pozitivni naboj.
	Električni dipolni moment molekule je usmerjen od delno negativnega atoma klora proti delno pozitivnemu atomu vodika.

Molekula tetraklorometana ni polarna.

Molekula organskega topila tetraklorometana ima štiri vezi C−Cl. Vsaka vez ima električni dipolni moment, ki je usmerjen od klorovega atoma z delnim negativnim nabojem proti delno pozitivnemu atomu ogljika, ki je v središču tetraedra. Ker je molekula tetraedrične simetrične oblike, je vektorska vsota električnih dipolnih momentov vezi enaka nič. Molekula tetraklorometana ni permanentni dipol, je nepolarna. To smo pri poskusu tudi dokazali. Ko smo se curku tetraklorometana približali z naelektrenim balonom, se ta ni bistveno odmaknil od svoje smeri.

Kliknite na sliko, da boste videli animacijo.

Dipolni moment molekule ogljikovega dioksida

Poglejte animacijo določanja električnega dipolnega momenta na modelu molekule ogljikovega dioksida in razmislite, zakaj molekula nima dipolnega momenta in ni permanentni dipol.

Preverite razumevanje

Uporabite podatke o elektronegativnosti atomov v tabeli in ocenite smer dipolnega momenta v molekulah na spodnjem primeru.

Elektronegativnost

S (rumena)

2,58

Cl (zelena)

3,16

2,20

2,55

N (modra)

3,04

Br (oranžna)

2,96

Preverite razumevanje.

Oglejte si 3D modele molekul CBr₄, CHBr₃, CH₃CH₂OH in H₂O₂ (pod nalogo) in poiščite molekulo, ki ni permanentni dipol.

	CHBr₃
	CH₃CH₂OH
	CBr₄
	H₂O₂

Model molekule tetrabromometana	Model molekule tribromometana	Model molekule etanola	Model molekule vodikovega peroksida

Naelektreni balon in voda iz vodovodne pipe.

Kaj se bo zgodilo, če tankemu curku vode iz vodovodne pipe približamo naelektreni balon?

Simetrija molekul in dipolni moment - višja raven

Molekule brez dipolnega momenta

Spoznali smo že, da so kovaletne vezi, ki jih tvorijo atomi, ki se razlikujejo v elektronegativnosti, polarne. Take vezi imajo zato dipolni moment, ki je različen od 0. A na dipolni moment molekule kot celote vpliva tudi prostorska zgradba molekule oz. njena simetrija.

Molekule, ki nimajo dipolnega momenta in so nepolarne so:

1. homonuklearne dvoatomne molekule (sestavljene iz dveh enakih atomov) in

2. večatomne molekule, ki imajo center simetrije.

Dvoatomna molekula kisika in linearna triatomna molekula ogljikovega dioksida, ki ima center simetrije, sta primera molekul z dipolnim momentom 0 D.

Homonuklearna dvoatomna molekula	Molekula s centrom simetrije

Molekule z dipolnim momentov

Molekule, ki imajo "nizko" stopnjo simetrije, imajo dipolni moment, ki je različen od nič. Take molekule so:

1. kotne (nelinearne) molekule, npr. molekula vode,

2. molekule, ki imajo T obliko, npr. IF₃,

3. molekule v obliki gugalnice, npr. SF₄,

4. piramidalne molekule (trigonalno piramidalne, kvadratno piramidalne, itn., toda ne bipiramidalne), npr. NH₃, NF₃, BrF₅.
Oglejte si modele nekaterih takih molekul v navideznem 3-D prostoru.

Model kotne molekule	Model T molekule

Model molekule v obliki gugalnice	Model piramidalne molekule

Preverite razumevanje

Skušajte ovrednotiti stopnjo simetrije v seriji molekul od CH₃Cl do CCl₄ in glede na oceno stopnje simetrije vrednosti za dipolne momente prenesti na ustrezne modele molekul na desni strani.

Kaj ste se naučili?

Dopolnite! V manjša prazna okenca vpišite številke, v večja pa besede.

Dipolni moment molekule CCl₄ je: JXUwMDY4 D.

Dipolni moment molekule CHCl₃ je: JXUwMDY5JXUwMDFkJXUwMDFjJXUwMDA0 D.

Dipolni moment molekule CH₂Cl₂ je: JXUwMDY5JXUwMDFkJXUwMDFhJXUwMDA2 D.

Dipolni moment molekule CH₃Cl je: JXUwMDY5JXUwMDFkJXUwMDE1JXUwMDBi D.

Z naraščanjem števila atomov v molekuli se vrednost dipolnega manjša.

Model molekule vodikovega sulfida

Ali je molekula H2S permanentni dipol?

Oglejte si model molekule H₂S in dopolnite manjkajoče besede.

Molekula H₂S je . Ima dipolni . Molekula je zato dipol.

Model molekule HCHO	Model molekule C2Cl4

Preverite razumevanje

Oglejte si modela molekule HCHO in molekule C₂Cl₄ v navideznem prostoru in izberite vse pravilne trditve.

	Molekula HCHO je permanentni dipol.
	Vektor dipolnega momenta v molekuli HCHO je usmerjen od atoma ogljika proti atomu kisika.
	Vez C-Cl v molekuli C₂Cl₄ je polarna.
	Molekula C₂Cl₄ ni permanentni dipol.

Model molekule HCN

Poglobite razumevanje

Obračajte model molekule HCN v navideznem prostoru in izberite vse pravilne trditve.

	Elektronegativnost atoma ogljika je 3,44.
	Molekula HCN je kotne oblike.
	Vektor dipolnega momenta je usmerjen od atoma dušika proti atomu ogljika.
	Molekula HCN je permanentni dipol.