โมเมนต์ไดโพลเคมีคืออะไร?

เมื่ออะตอมในโมเลกุลใช้อิเล็กตรอนร่วมกันไม่เท่ากัน พวกมันจะสร้างสิ่งที่เรียกว่าไดโพลโมเมนต์ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่ออะตอมหนึ่งมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอีกอะตอมหนึ่ง ทำให้อะตอมนั้นดึงดูดอิเล็กตรอนคู่เดียวแรงขึ้น หรือเมื่ออะตอมมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและมีจุดต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีในทิศทางเดียวกัน

หนึ่งในตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดคือโมเลกุลของน้ำ ซึ่งประกอบด้วยออกซิเจน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอม ความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีและอิเลคตรอนเดี่ยวทำให้ออกซิเจนมีประจุลบบางส่วน และไฮโดรเจนแต่ละตัวมีประจุบวกบางส่วน

โมเมนต์ไดโพลของพันธะ

โมเมนต์ไดโพลของพันธะหรือโมเมนต์ไดโพลของพันธะเคมีคือโมเมนต์ไดโพลระหว่างพันธะเดี่ยวในโมเลกุลไดอะตอม ในขณะที่โมเมนต์ไดโพลทั้งหมดในโมเลกุลหลายอะตอมคือผลรวมเวกเตอร์ของไดโพลของพันธะทั้งหมด ดังนั้น โมเมนต์ไดโพลของพันธะจึงแตกต่างจากโมเมนต์ไดโพลทั้งหมดในโมเลกุลหลายอะตอม ดังนั้น โมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลทั้งหมดขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความแตกต่างของขนาดอะตอม การผสมพันธุ์ของออร์บิทัล และทิศทางของอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว โมเมนต์ไดโพลยังสามารถเล็กลงได้เมื่อพันธะไดโพลสองตัวที่อยู่ตรงข้ามกันหักล้างกัน

ในวิชาเคมี สัญลักษณ์ลูกศร (->) จะแสดงความแตกต่างเล็กน้อยของไดโพลโมเมนต์ ดังที่กล่าวไว้ โมเมนต์ไดโพลจะแสดงด้วยลูกศรที่มีเครื่องหมายกากบาท (+) อยู่ด้านหนึ่ง ด้านลูกศรแสดงถึงเครื่องหมายลบ ในขณะที่ด้านกากบาท (+) หมายถึงเครื่องหมายบวก ที่นี่ ลูกศรบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในโมเลกุล

สูตรโมเมนต์ไดโพล

คำจำกัดความของโมเมนต์ไดโพลสามารถกำหนดเป็นผลคูณของขนาดของประจุไฟฟ้าของโมเลกุลและระยะห่างระหว่างอะตอมระหว่างอะตอมของโมเลกุลและกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:

โมเมนต์ไดโพล (μ) = ประจุ (Q) x ระยะแยก (d) นั่นคือ(μ) = (Q) x (d)

โดยที่ (μ) คือโมเมนต์ ไดโพลของพันธะ Q คือขนาดของประจุบางส่วน δ ⁺และ δ ^– , และระยะห่างระหว่าง δ ⁺และ δ ^–

ในทางกลับกัน โมเมนต์ไดโพลจะวัดเป็น หน่วยเดบายแทนด้วย D โดยที่ 1 D= 3.33564 x 10 ^-30 C x m โดยที่ C = คูลอมบ์ และ m = เมตร

ตัวอย่างการคำนวณไดโพลโมเมนต์

สำหรับตัวอย่างนี้ เราจะใช้โมเลกุลของน้ำ ซึ่งสามารถใช้กำหนดทิศทางและขนาดของไดโพลโมเมนต์ได้ จากค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของออกซิเจนและไฮโดรเจน ความแตกต่างคือ 1.2e สำหรับพันธะไฮโดรเจน-ออกซิเจนแต่ละพันธะ ดังนั้น เนื่องจากออกซิเจนเป็นอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบมากที่สุด จึงมีแรงดึงดูดมากขึ้นสำหรับอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน มันยังมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอีกสองคู่ ดังนั้นเราจึงสามารถสรุปได้ว่าโมเมนต์ไดโพลอยู่ระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนและอะตอมของออกซิเจน

เมื่อใช้สมการข้างต้น โมเมนต์ไดโพลจะคำนวณได้เท่ากับ 1.84 D โดยการคูณระยะห่างระหว่างอะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจนด้วยความแตกต่างของประจุระหว่างพวกมัน จากนั้นหาส่วนประกอบของแต่ละจุดในทิศทางของโมเมนต์ไดโพลสุทธิ (มุมของโมเลกุลคือ 104.5˚)

โมเมนต์รวมของพันธะ OH คือ 1.5 D ดังนั้นโมเมนต์ไดโพลสุทธิคือ:

(μ)= 2(1.5) cos (104.5˚/2) = 1.84D

การใช้ไดโพลโมเมนต์

1. เพื่อหาลักษณะขั้วของพันธะ เมื่อขนาดของไดโพลโมเมนต์เพิ่มขึ้น ลักษณะขั้วของพันธะก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน โมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลเป็นศูนย์จะไม่มีขั้ว ในขณะที่โมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลเป็นศูนย์จะถือว่ามีขั้ว
2. เพื่อหาโครงสร้าง (รูปร่าง) ของโมเลกุล โมเลกุลที่มีค่าโมเมนต์ไดโพลเฉพาะจะมีรูปร่างโค้งหรือเป็นมุมและจะไม่มีโครงสร้างสมมาตร ในขณะที่ โมเลกุลที่มีค่าโมเมนต์ไดโพลเป็นศูนย์จะมีรูปร่างสมมาตร 
3. เพื่อกำหนดเปอร์เซ็นต์ของลักษณะไอออนิกของพันธะ เปอร์เซ็นต์นี้คือปริมาณของอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันระหว่างสองอะตอม โดยที่การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันอย่างจำกัดนั้นสอดคล้องกับอักขระไอออนิกที่มีเปอร์เซ็นต์สูง ในการกำหนดเปอร์เซ็นต์ของลักษณะไอออนิกของพันธะ อิเล็กโทรเนกาติวิตี้ของอะตอมจะถูกใช้เพื่อทำนายการกระจายของอิเล็กตรอนระหว่างพวกมัน
4. เพื่อหาความสมมาตรของโมเลกุล โมเลกุลที่มีพันธะสองขั้วขึ้นไปจะไม่สมมาตรและมีโมเมนต์ไดโพลที่แน่นอน ตัวอย่าง: H ₂ O = 1.84D และ CH ₃ CI (เมทิลคลอไรด์) = 1.86D ถ้าอะตอมที่คล้ายกันในโมเลกุลจับกับอะตอมกลางโดยมีโมเมนต์ไดโพลเป็นศูนย์ ดังนั้น โมเลกุลดังกล่าวจะมีโครงสร้างสมมาตร ตัวอย่าง: CO ₂ (คาร์บอนไดออกไซด์) และ CH ₄ (มีเทน)
5. เพื่อแยกความแตกต่างระหว่าง cis และ trans isomers โดยทั่วไป ไอโซเมอร์ที่มีโมเมนต์ไดโพลสูงกว่าคือไอโซเมอร์ทรานส์ และไอโซเมอร์ที่มีโมเมนต์ไดโพลต่ำกว่าคือไอโซเมอร์ที่ถูกต้อง
6. เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างไอโซเมอร์ของออร์โธ เมตา และพารา ไอโซเมอร์พาราจะมีโมเมนต์ไดโพลเป็นศูนย์ ในขณะที่ออร์โธไอโซเมอร์จะมีโมเมนต์ไดโพลสูงกว่าเมตาไอโซเมอร์

อ้างอิง

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/InteraccionesNC/dipolares/dipolar1.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/dipole.html

ฟิสิกส์และเคมี ชั้นปีที่ 2 ของบัณฑิต บทบรรณาธิการ Santillana (สเปน) – INVESTIGA Series, 2021 ผู้แต่งหลายคน