Khoảnh khắc lưỡng cực hóa học là gì?

Khi các nguyên tử trong một phân tử chia sẻ các electron của chúng một cách không đồng đều, chúng tạo ra cái gọi là khoảnh khắc lưỡng cực . Hiện tượng này xảy ra khi một nguyên tử có độ âm điện lớn hơn nguyên tử khác, khiến nguyên tử đó thu hút mạnh hơn từ cặp electron dùng chung hoặc khi một nguyên tử có một cặp electron đơn độc và sự khác biệt về độ âm điện theo cùng một hướng.

Một trong những ví dụ phổ biến nhất là phân tử nước, được tạo thành từ một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Sự khác biệt về độ âm điện và các electron đơn độc mang lại cho oxy một phần điện tích âm và mỗi hydro một phần điện tích dương.

momen lưỡng cực liên kết

Mômen lưỡng cực liên kết , hoặc mômen lưỡng cực hóa học , là mômen lưỡng cực giữa liên kết đơn trong phân tử hai nguyên tử, trong khi tổng mômen lưỡng cực trong phân tử đa nguyên tử là tổng vectơ của tất cả các lưỡng cực liên kết. Do đó, mômen lưỡng cực liên kết khác với mômen lưỡng cực tổng trong các phân tử đa nguyên tử. Do đó, tổng momen lưỡng cực phân tử phụ thuộc vào các yếu tố như sự khác biệt về kích thước nguyên tử, sự lai hóa của các quỹ đạo và hướng của cặp electron đơn độc. Mômen lưỡng cực cũng có thể nhỏ hơn khi hai liên kết lưỡng cực đối diện triệt tiêu nhau.

Trong hóa học, biểu diễn của momen lưỡng cực được đưa ra một chút khác biệt bằng ký hiệu mũi tên (->). Như đã nói, momen lưỡng cực được biểu thị bằng một mũi tên có dấu chéo (+) ở một bên. Mặt mũi tên biểu thị dấu âm, trong khi mặt chéo (+) biểu thị dấu dương. Ở đây, mũi tên chỉ sự dịch chuyển mật độ electron trong phân tử.

công thức momen lưỡng cực

Định nghĩa của momen lưỡng cực có thể được đưa ra dưới dạng tích của độ lớn điện tích của phân tử và khoảng cách giữa các hạt nhân giữa các nguyên tử của phân tử và được cho bởi phương trình sau:

Khoảnh khắc lưỡng cực (μ) = Điện tích (Q) x Khoảng cách phân tách (d). Tức là (μ) = (Q) x (d)

Trong đó (μ) là momen lưỡng cực liên kết, Q là độ lớn của các điện tích riêng phần δ ⁺ và δ ^– , và khoảng cách giữa δ ⁺ và δ ^– .

Mặt khác, momen lưỡng cực được đo bằng đơn vị debye , được biểu thị bằng D. Trong đó 1 D= 3,33564 x 10 ^-30 C x m. Ở đây C = Coulomb và m = mét.

Ví dụ về cách tính momen lưỡng cực

Đối với ví dụ này, chúng ta sẽ sử dụng phân tử nước, phân tử này có thể được sử dụng để xác định hướng và độ lớn của mômen lưỡng cực. Dựa trên độ âm điện của oxy và hydro, sự khác biệt là 1,2e cho mỗi liên kết hydro-oxy. Vì vậy, vì oxy là nguyên tử có độ âm điện lớn nhất, nên nó có sức hút lớn hơn đối với các electron dùng chung; nó cũng có hai cặp electron độc thân. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng mômen lưỡng cực là giữa hai nguyên tử hydro và nguyên tử oxy.

Sử dụng phương trình trên, mômen lưỡng cực được tính bằng 1,84 D bằng cách nhân khoảng cách giữa các nguyên tử oxy và hydro với hiệu điện tích giữa chúng, rồi tìm các thành phần của mỗi điểm đó theo hướng của mômen lưỡng cực thuần. (góc của phân tử là 104,5˚).

Khoảnh khắc liên kết của liên kết OH là 1,5 D, vì vậy khoảnh khắc lưỡng cực ròng là:

(μ)= 2(1,5) cos (104,5˚/2) = 1,84D

Công dụng của momen lưỡng cực

1. Để tìm bản chất phân cực của liên kết. Khi độ lớn của momen lưỡng cực tăng lên thì bản chất có cực của liên kết cũng tăng theo. Các phân tử có momen lưỡng cực bằng 0 là không phân cực, trong khi các phân tử có momen lưỡng cực bằng 0 được coi là cực.
2. Để tìm cấu trúc (hình dạng) của các phân tử. Các phân tử có giá trị momen lưỡng cực cụ thể sẽ có dạng cong hoặc góc cạnh và sẽ không có cấu trúc đối xứng, trong khi các phân tử có momen lưỡng cực bằng 0 sẽ có hình dạng đối xứng. 
3. Để xác định phần trăm tính chất ion của một liên kết. Tỷ lệ phần trăm này là lượng electron được chia sẻ giữa hai nguyên tử, trong đó sự chia sẻ hạn chế của các electron tương ứng với tỷ lệ phần trăm cao của đặc tính ion. Để xác định phần trăm tính chất ion của một liên kết, độ âm điện của các nguyên tử được sử dụng để dự đoán sự phân bố electron giữa chúng.
4. Để tìm sự đối xứng của các phân tử. Các phân tử có hai hoặc nhiều liên kết phân cực không đối xứng và có một momen lưỡng cực nhất định. Ví dụ: H ₂ O = 1,84D và CH ₃ CI (metyl clorua) = 1,86D. Nếu các nguyên tử tương tự trong phân tử được gắn vào nguyên tử trung tâm với momen lưỡng cực tổng hợp bằng 0, thì các phân tử đó sẽ có cấu trúc đối xứng. Ví dụ: CO ₂ (cacbon điôxít) và CH ₄ (mêtan).
5. Để phân biệt giữa các đồng phân cis và trans. Nói chung, đồng phân có momen lưỡng cực cao hơn là đồng phân trans và đồng phân có momen lưỡng cực thấp hơn là đồng phân cis.
6. Để phân biệt giữa các đồng phân ortho, meta và para. Đồng phân para sẽ có momen lưỡng cực bằng không, trong khi đồng phân ortho sẽ có momen lưỡng cực cao hơn đồng phân meta.

Người giới thiệu

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

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

Lý và Hóa năm thứ 2 tú tài. Biên tập Santillana (Tây Ban Nha) – Sê-ri INVESTIGA, 2021. Nhiều tác giả