双極子モーメントは、分子中にどのように分布しているか、不均一に電荷を示す化学的性質です。それはデバイ単位、3.33・10 -30 C・mで表され、通常、その値の範囲は0〜11 Dです。
極性の高い化合物は、双極子モーメントが大きくなる傾向があります。無極性のもの、小さな双極子モーメント。分子内の電荷が分極化されるほど、その双極子モーメントは大きくなります。つまり、電子が豊富な領域δ-と、電子が不足している別の領域δ+が存在する必要があります。
2色消しゴムは、双極子モーメントがマークされた分子の2つの極（正と負）に類似しています。出典：Pexels。
双極子モーメントμはベクトル量であるため、結合の角度、および一般に分子構造の影響を受けます。
分子が線形の場合、2色消しゴムと比較できます。その負の端δ-は赤に対応します。一方、正のδ+は青色になります。δ-極での負の電荷の大きさが増加し、それをδ+から隔てる距離が増えると、双極子モーメントが増加します。
化学的には、上記は、2つの原子間の電気陰性度の差が大きく、それらを隔てる距離が長いほど、それらの間の双極子モーメントが大きくなることを意味します。
双極子モーメントはどのように計算されますか？
これは、2つの原子AとBの間の共有結合と見なされます。
AB
正の部分電荷と負の部分電荷の間の距離は、それらの結合の長さによってすでに定義されています。
A δ+ -B δ-
陽子と電子の電荷の大きさは同じですが、符号が逆である1.6・10 -19 Cであるため、次の方程式を使用してAとBの間の双極子モーメントを評価するときに、これが考慮されます。
μ=δd
ここで、μは双極子モーメント、δは負の符号なしの電子の電荷、dはメートルで表される結合の長さです。たとえば、dの値が2Å（1・10 -10 m）であるとすると、双極子モーメントはμA-Bになります。
μA-B=（1.6 10 -19 C）（2 10 -10 m）
= 3.2 10 -29 C m
ただし、この値は非常に小さいため、Debyeユニットが使用されます。
μ=（3.2・10 -29 C・m）・（1 D / 3.33・10 -30 C・m）
= 9.60 D
μA-Bのこの値は、結合ABが共有結合よりもイオン性であると仮定するために与えられます。
例
水
水分子の双極子モーメント。出典：ガブリエルボリバル
分子の双極子モーメントを計算するには、結合角と三角法を少し考慮して、それぞれの結合のすべての双極子モーメントをベクトルで追加する必要があります。これは初めに。
水は、共有結合化合物に期待できる最大の双極子モーメントの1つです。上の画像では、水素原子には正の部分電荷δ+があり、酸素には負の部分電荷δ-があることがわかります。OH結合は非常に極性が高く（1.5D）、H 2 O 分子には2つあります。
通常、電気陰性度が最も小さい原子（H）から電気陰性度が最も高い原子（O）に向かうベクトルが描画されます。描かれていませんが、酸素原子には2組の非共有電子があり、負の領域をさらに「集中」させます。
H 2 Oの角度形状により、双極子モーメントが酸素原子の方向に追加されます。2つのμO-Hの合計が3D（1.5 + 1.5）になることに注意してください。しかし、それはそうではありません。水の双極子モーメントの実験値は1.85Dです。HOH結合間の105°に近い角度の影響をここに示します。
メタノール
メタノール分子の双極子モーメント。出典：ガブリエルボリバル
メタノールの双極子モーメントは1.69Dです。それは水のそれよりも少ないです。したがって、原子の質量は双極子モーメントにあまり影響を与えません。しかし、それらの原子半径は。メタノールの場合、そのHO結合のμが1.5Dに等しいとは言えません。なぜなら、分子環境はCH 3 OHとH 2 Oで異なるからです。
μO-Hを計算するために、メタノールのHO結合の長さを測定する必要があるのはこのためです。炭素と酸素の電気陰性度の差は水素と酸素の差より小さいため、μO-HはμC-Oよりも大きいと言えます。
メタノールは、水やアンモニアとともに見つかる最も極性の高い溶媒の1つとしてリストされています。
アンモニア
アンモニア分子の双極子モーメント。出典：ガブリエルボリバル
HN結合は非常に極性が高いため、窒素は電気陰性度が高いため、それ自体に電子を引き付けます（上の画像）。これに加えて、その上に非共有電子対があり、それらが負の電荷をδ-領域に寄与します。したがって、アンモニアの窒素原子では電荷が支配的です。
アンモニアの双極子モーメントは1.42Dで、メタノールの双極子モーメントよりも小さくなっています。アンモニアとメタノールの両方を消しゴムに変換できた場合、メタノール消しゴムはアンモニア消しゴムと比較してより明確な極を持っていることがわかります。
エタノール
エタノール、CH 3 CH 2 OHの場合、その双極子モーメントはメタノールの双極子モーメントに非常に近いですが、値が低くなる傾向があります。δ+領域を構成する炭素原子が多いため、δ-を表す酸素原子は、その「相対的な負の強度」の一部を失い始めます。
二酸化炭素
二酸化炭素分子の双極子モーメント。出典：ガブリエルボリバル
二酸化炭素には2つの極性結合C = Oがあり、それぞれの双極子モーメントはμO-Cです。ただし、上の画像からわかるように、CO 2の線形形状により、炭素が正の部分電荷を持ち、酸素が負の部分電荷を持っている場合でも、2つのμO-Cが互いにベクトルで相殺されます。
μCOので、このような理由から二酸化炭素は、無極性分子である2 0Dの値を有します。
メタン
メタン分子の双極子モーメント。出典：ガブリエルボリバル
メタンと二酸化炭素はどちらも共通点があります。それらは高度に対称的な分子です。一般に、分子が対称であればあるほど、その双極子モーメントは小さくなります。
CH 4分子を見ると、そのCH結合は極性があり、わずかに電気陰性であるため、電子は炭素原子に向けられます。炭素は非常に負のδ領域でなければならないと思うかもしれません。中央が赤くて端が青くなっている消しゴムのように。
ただし、CH 4を半分に分割すると、H 2 O 分子と同様に、左側と右側に2つのHCH半分が得られます。したがって、これらの2つのμC-Hを追加した結果生じる双極子モーメントはキャンセルされます。残りの半分と。したがって、μCH 4は、 0Dの値を持ちます。
参考文献
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