Что такое дипольный момент в химии

Метод отталкивания локализованных электронных пар валентной оболочки центрального атома (метод Гиллеспи); дипольный момент молекулы

Материалы портала onx.distant.ru

Основные положения метода

Обозначения, используемые в методе Гиллеспи

А – центральный атом;

X – лиганд, с которым центральный атом образует химическую связь, то есть даёт связывающие электронные пары;

Е – неподелённая электронная пара;

n, m – соответственно число связывающих и неподелённых электронных пар.

Алгоритм определения строения молекул по методу Гиллеспи

Для того, чтобы определить строение молекулы методом Гиллеспи, предлагается следующий порядок действий.

(n + m) = 1/2 (N_ц + N_л – z ) – π (1)

N_ц – число электронов центрального атома на его внешнем электронном слое,

N_л – число электронов лигандов, участвующих в образовании связей с центральным атомом,

π – число π-связей в молекуле,

z – заряд иона (в случае определения строения молекулярного аниона).

В табл. 1. обобщаются возможные варианты использования метода Гиллеспи для определения строения различных молекул.

Таблица 1. Геометрия молекул неорганических и органических веществ.

Дипольный момент молекулы

Мера полярности связи – её дипольный момент (μ) – определяется произведением:

μ = ql

где q – эффективный заряд, l – длина диполя (расстояние между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами +q и –q).

Дипольный момент – это векторная величина. Понятия “дипольный момент связи” и “дипольный момент молекулы” совпадают только для двухатомных молекул. Дипольный момент сложной молекулы равен векторной сумме дипольных моментов всех связей. Дипольный момент многоатомной молекулы зависит не только от полярности отдельных связей в молекуле, но и от геометрической формы молекулы.

Рис. 1. Дипольные моменты молекул СО₂ и Н₂О

Примеры определения строения молекул по методу Гиллеспи

Пример 1. Молекула BF₃.

n + m = (4 + 2)/2 = 3

(у олова на внешнем слое четыре электрона и два электрона дают атомы хлора; π-связи в молекуле отсутствуют).

Пример 3. Молекула XeF₄.

(у атома Хе восемь электронов на внешнем электронном слое и два электрона дают атомы F; π-связи в молекуле отсутствуют).

Пример 4. Молекула SO₂.

(у атома серы на внешнем электронном слое шесть электронов, четыре электрона дают два атома кислорода; в молекуле две π-связи которые вычитаются при определении n+m).

Атом серы имеет шесть валентных электронов. Из них четыре идут на образование π- и σ-связей с двумя атомами кислорода (О= S= O). В результате, у атома серы остается одна неподелённая пара электронов.

Строение карбонат-иона – плоский треугольник.

Задачи для самостоятельного решения

1. Из приведенных молекул полярными являются:

Источник

Что такое дипольный момент в химии

Виктор Александрович КОГАН
профессор, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии
Ростовского Государственного Университета

ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ «МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КООРДИНАЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ»

Метод дипольных моментов в химии

Лекция посвящена одному из важнейших физических методов исследования строения вещества – методу дипольных моментов. Рассмотрена природа дипольного момента и методы его определения, а также приведены отдельные примеры применения метода дипольных моментов для выяснения строения химических соединений.

1. Общие представления о природе дипольного момента

Дипольный момент – важная молекулярная константа, характеризующая электрическую симметрию молекулы.

Знание величины дипольного момента необходимо для изучения природы химической связи, оценки прочности донорно-акцепторных и межмолекулярных связей, для квантово-химических расчетов. По величине дипольного момента можно судить об изомерии и конформации органических соединений, конфигурации координационных узлов комплексов, о взаимном влиянии атомов и связей в молекуле.

Величина электрического дипольного момента (μ) определяется соотношением:

(1)

Причиной появления дипольного момента являются несколько факторов. В первую очередь – это различия в природе составляющих молекулу атомов. В простейшем случае для двухатомной молекулы μ = 0, если она состоит из двух одинаковых атомов. Это относится к H₂, O₂, N₂ и т.д. В двухатомной молекуле с атомами разной природы проявляется постоянный дипольный момент, т. к., вследствие разной электроотрицательности, характеризующей способность атома оттягивать электронную плотность, появляется асимметрия электронной плотности. Другие причины – разные гибридные состояния орбиталей атомов. Так, например, для связи H-Cl, образованной 1s-орбиталью водорода и 3p-орбиталью хлора, вследствие различной формы s- и p-орбиталей, центр тяжести заряда перекрывания смещен в сторону водорода на ΔL, за счет чего возникает дополнительный, т. н. гомеополярный дипольный момент (рис.1):

Рис. 1. Схема происхождения гомеополярного диполя.

Естественно, молекулы HCl, HBr, HI имеют постоянные дипольные моменты, равные, соответственно, 1.95 D, 0.79 D, 0.40 D. Другие вклады в суммарный дипольный момент возникают из-за асимметрии связывающей и несвязывающей атомных орбиталей вследствие их гибридизации. Так, дипольный момент аммиака, 1.46 D, в основном обусловлен моментом несвязывающей пары электронов азота.

2. Методы определения дипольных моментов

Из всех методов получили наиболее широкое распространение методы определения дипольных моментов, основанные на измерении диэлектрической проницаемости (ε) вещества. Этими методами измерены дипольные моменты молекул более 10000 веществ. Переход от измеряемого значения ε газа, чистой жидкости или разбавленного раствора, т.е. макроскопической характеристики диэлектрика, к величине дипольного момента основан на теории поляризации диэлектриков. Считается, что при наложении электрического поля на диэлектрик его полная поляризация Р складывается из наведенной или индуцированной поляризации Р_м и поляризации Р_ор и связана с μ уравнением Ланжевена-Дебая (2).

(2)

Измерения диэлектрической проницаемости проводят в постоянном поле или при низких частотах, обеспечивающих полную ориентацию молекул по полю. Кратко остановимся на типичной процедуре определения μ_о в разбавленных растворах. Она основана на предположении об аддитивности свойств составляющих раствор компонентов:

(3)

где Р_1,2, Р₁, Р₂ – молекулярные поляризации раствора, растворителя и растворенного вещества соответственно;
Х₁, Х₂ – мольные доли растворителя и растворенного вещества.

С учетом уравнения (2) уравнение (3) для раствора будет выглядеть как (4):

(4)

где М₁ и М₂ – молекулярные веса растворителя и растворенного вещества;
ε_1,2 – диэлектрическая проницаемость раствора;
d_1,2 – плотность раствора.

Из уравнения (4) можно вычислить Р₂ – молекулярную поляризацию растворенного вещества. В этом методе допускается, что молекулы полярного вещества могут вести себя в растворах как в парообразном состоянии и свободно ориентироваться в приложенном поле только для бесконечно разбавленных растворов, поэтому значение Р₂ следует экстраполировать на нулевую концентрацию (Х₂ = 0) и найти значение молекулярной поляризации растворенного вещества при бесконечном разбавлении (Р_2∞).

Эксперимент сводится к измерению диэлектрической проницаемости и плотности 5-7 разбавленных растворов исследуемого соединения при точно поддерживаемой температуре (обычно 25 °С) в интервале концентраций растворенного вещества от 0,001¸ 0,01 мольных долей. Выбор интервала концентраций зависит от растворимости и полярности вещества и может колебаться в сторону уменьшения мольных долей для более полярных соединений. Затем по формуле (4) находят значение молекулярной поляризации растворенного вещества для каждой концентрации и по полученным данным строят кривую зависимости Р₂ от концентраций, по которой экстраполируют Р₂ до нулевой концентрации и находят значение Р_2∞. Эту величину можно также получить, используя различные приемы экстраполяции к нулевой концентрации для диэлектрической проницаемости и плотности.

Величину дипольного момента рассчитывают из уравнения Дебая (2)

из которого, подставляя значения N, κ, π, можно вычислить величину постоянного дипольного момента по формуле (5):

, эл.-ст. ед. (5)

Найденное в эксперименте значение Р_2∞ включает в себя электронную (Р_эл) и атомную (Р_ат) молекулярные поляризации и поэтому Р_ор в уравнении (5) вычисляется как Р_ор = Р_2∞ – Р_ат – Р_эл.

Р_эл считают равной рефракции вещества, которое вычисляется по той же схеме аддитивности на основании измерения коэффициентов преломления и плотности той же серии растворов, а Р_ат вследствие ее малости очень часто пренебрегают. Следует отметить, что Р_эл можно рассчитать по рефракциям связей и групп, если не требуется высокая точность в значении дипольного момента.

Сходимость результатов, полученных различными методами при корректном использовании правильных расчетных формул бывает достаточно хорошей, как показано в табл. 1:

Таблица 1. Дипольные моменты молекул (в D)

Источник

Тема7. Дипольный момент связи. Дипольный момент молекулы. Водородная связь

ТЕМА7.Дипольный момент связи. Дипольный момент молекулы. Водородная связь.

Мерой полярности связи является ее дипольный момент м :

где е – заряд электрона, l – расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Дипольный момент – это векторная величина. Понятия «дипольный момент связи» и «дипольный момент молекулы» совпадают только для двухатомных молекул. Дипольный момент молекулы равен векторной сумме дипольных моментов всех связей. Таким образом, дипольный момент многоатомной молекулы зависит от ее строения.

В линейной молекуле СО2, например, каждая из связей С–О полярна. Однако молекула СО2 в целом неполярна, так как дипольные моменты связей компенсируют друг друга (рис. 5.4). Дипольный момент молекулы углекислого газа m = 0.

В угловой молекуле Н2О полярные связи Н–О расположены под углом 104,5o. Векторная сумма дипольных моментов двух связей Н–О выражается диагональю параллелограмма (рис. 5.4). В результате дипольный момент молекулы воды m не равен нулю.

Рис. 5.4. Дипольные моменты молекул СО2 и Н2О

Пример 1. Установить, какие из перечисленных ниже молекул F2, HF, BeF2, BF3, PF3, CF4 являются полярными.

Пример 2. Охарактеризовать валентные возможности атомов кислорода и селена.

Пример 3. Расположите молекулы NH3, H2O, SiH4, PH3 в порядке увеличения длины химической связи элемент-водород.

Решение: Длина химической связи возрастает с увеличением радиуса атома, связанного с атомом водорода. В порядке увеличения длины связи располагаются следующим образом: H2O, NH3, PH3, SiH4.

Пример 4. Расположите молекулы O2, N2, Cl2, Br2 в порядке увеличения энергии химической связи.

Решение. Энергия связи возрастает при уменьшении ее длины и увеличения кратности связи. Поэтому одинарная связь в молекуле хлора более прочная, чем в молекуле брома. Двойная связь имеет место в молекуле кислорода. Эта связь прочнее одинарной связи молекулы хлора, но слабее тройной связи в молекуле азота. В результате энергия химической связи увеличивается в ряду: Br2, Cl2, O2, N2.

Пример 5. Установить тип кристаллической решетки у следующих веществ: графит, цинк, хлорид цинка, твердый диоксид углерода.

Определите, какие из перечисленных ниже молекул СО, СО2, С2Н2, H2S, PH3, Cl2 являются неполярными.

Охарактеризовать валентные возможности атомов фтора и брома.

Расположите молекулы Cl2, Br2, O2, N2 в порядке увеличения длины химической связи.

Расположите молекулы H2O, H2S, H2Sе, H2Te, в порядке увеличения энергии химической связи элемент-водород.

Установить тип кристаллической решетки у следующих веществ: железо, кремний, иод, фторид кальция

Источник

Дипольный момент: как он рассчитывается и примеры

Содержание:

Дипольный момент μ является векторной величиной, поэтому на него влияют углы связей и, в целом, молекулярная структура.

Когда молекула линейна, ее можно сравнить с двухцветным ластиком. Его отрицательный конец δ- будет соответствовать красному цвету; в то время как положительное, δ +, будет синим цветом. По мере увеличения величин отрицательных зарядов на δ-полюсе и расстояния, отделяющего его от δ +, дипольный момент увеличивается.

С химической точки зрения это означает, что чем больше разница в электроотрицательности между двумя атомами и чем больше расстояние, которое их разделяет, тем больше дипольный момент между ними.

Как рассчитывается дипольный момент?

Считается ковалентной связью между двумя атомами, A и B:

Расстояние между положительным и отрицательным частичными зарядами уже определяется длиной их связи:

Но поскольку это значение очень мало, используется единица Дебая:

Это значение μA-B может привести к предположению, что связь A-B является более ионной, чем ковалентной.

Примеры

вода

Чтобы вычислить дипольный момент молекулы, все дипольные моменты их соответствующих связей должны быть добавлены векторно, учитывая валентные углы и небольшую тригонометрию. Это в самом начале.

Вода имеет один из самых больших дипольных моментов, который можно ожидать для ковалентного соединения. На верхнем изображении мы видим, что атомы водорода имеют положительный частичный заряд, δ +, а кислород несет отрицательный частичный заряд, δ-. Связь O-H достаточно полярна (1,5D), и их две в молекуле H₂ИЛИ.

Обычно рисуется вектор, направленный от наименее электроотрицательного атома (H) к наиболее электроотрицательному (O). Хотя они не нарисованы, на атоме кислорода есть две пары неподеленных электронов, которые еще больше «концентрируют» отрицательную область.

Из-за угловой геометрии H₂Или дипольные моменты складываются в направлении атома кислорода. Обратите внимание, что сумма двух μO-H даст 3D (1,5 + 1,5); но это не так. Дипольный момент воды имеет экспериментальное значение 1,85D. Здесь показан эффект угла около 105 ° между связями H-O-H.

Метанол

Дипольный момент метанола составляет 1,69 D. Это меньше, чем у воды. Следовательно, атомные массы не имеют большого влияния на дипольный момент; но их атомные радиусы равны. В случае метанола мы не можем утверждать, что его связь H-O имеет μ, равную 1,5D; так как в CH₃ОН и Н₂ИЛИ.

Вот почему вам нужно будет измерить длину связи H-O в метаноле, чтобы рассчитать μO-H. Что можно сказать, так это то, что μO-H больше, чем μC-O, поскольку разница электроотрицательностей между углеродом и кислородом меньше, чем между водородом и кислородом.

Метанол указан как один из самых полярных растворителей, которые можно найти вместе с водой и аммиаком.

Аммиак

Связи H-N довольно полярны, поэтому азот из-за своей более высокой электроотрицательности притягивает электроны к себе (верхнее изображение). В дополнение к этому у нас есть неподеленная пара электронов, которые вносят свои отрицательные заряды в δ-область. Следовательно, на атоме азота аммиака преобладают электрические заряды.

Аммиак имеет дипольный момент 1,42D, меньше, чем у метанола. Если бы и аммиак, и метанол можно было превратить в ластики, было бы видно, что ластик из метанола имеет более определенные полюса по сравнению с ластиком из аммиака.

Этанол

В случае этанола CH₃CH₂ОН, его дипольный момент очень близок к дипольному моменту метанола, но, как правило, имеет более низкие значения. Поскольку в области δ + становится больше атомов углерода, атом кислорода, представляющий δ-, начинает терять часть своей «относительной отрицательной интенсивности».

Углекислый газ

Углекислый газ имеет две полярные связи C = O с соответствующими дипольными моментами μO-C. Однако, как видно на изображении выше, линейная геометрия CO₂ Это заставляет два μO-C векторно компенсировать друг друга, даже когда углерод имеет положительный частичный заряд, а атомы кислорода имеют отрицательный частичный заряд.

По этой причине диоксид углерода является неполярной молекулой, поскольку μCO₂ имеет значение 0D.

Метан

Если мы увидим молекулу CH₄, его связи C-H полярны, а электроны направлены к атому углерода, потому что он немного более электроотрицателен. Можно было бы подумать, что углерод должен быть сильно отрицательной δ-областью; как ластик с темно-красным центром и голубоватыми концами.

Однако, разделив CH₄ в середине мы получили бы две половинки H-C-H, одну слева, а другую справа, аналогичные молекуле H₂О. Таким образом, дипольный момент, возникающий в результате сложения этих двух мкС-Н, компенсируется дипольным моментом другой половины. Следовательно, μCH₄ имеет значение 0D.

Ссылки

Преимущества онлайн-терапии пар в условиях родов

100 фраз Хоакина Сабины для понимания его песен

Источник