mini|Dipolmoment eines H2O-Moleküls.rot: negative Teilladungblau: positive Teilladunggrün: gerichteter Dipol Das elektrische Dipolmoment ist eine Eigenschaft der Verteilung elektrischer Ladungen. Es wird vom zweiten Koeffizienten der Multipolentwicklung des elektrischen Feldes repräsentiert und charakterisiert die räumliche Ladungstrennung entlang einer Achse. Hat man in einem Körper, z. B. einem Molekül, an unterschiedlichen Orten eine elektrische Ladung unterschiedlichen Vorzeichens, so dass der Schwerpunkt der negativen Ladungen (Elektronen) und der Schwerpunkt der positiven Ladungen (Atomkerne) nicht zusammenfallen, dann besitzt dieser Körper ein elektrisches Dipolmoment.
In der Chemie ist das Dipolmoment ein Maß für die Stärke eines Dipolmoleküls und damit für die Polarität eines Moleküls. Diese wird durch polare Atombindungen oder im Extremfall durch ionische Bindungen hervorgerufen.
Es sind auch andere Dipole (z. B. magnetische Dipole) möglich, die folglich auch andere Dipolmomente ausbilden.
Richtungskonvention Bezüglich der Richtung des Vektors des elektrischen Dipolmomentes herrschen in den verschiedenen Fachbereichen verschiedene Konventionen. Während in der Physik der Pfeil von der negativen Ladung zur positiven gezeichnet wird, wird es beispielsweise in der (physikalischen) Chemie die Richtung andersherum angegeben, von der positiven Ladung zur negativen.
Berechnung + Elektrisches Dipolmoment ausgewählter MoleküleBei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 101,325 kPa. Molekül Dipolmomentin Debye Dipolmomentin 10−30 C·m CO 0,11 0,367 HF 1,826178 6,0915 HCl 1,109 3,700 HBr 0,827 2,759 HI 0,448 1,495 NH3 1,471 4,907 PF3 1,025 3,419 H2O 1,84 6,152 H2S 0,97 3,236 CH2O 2,34 7,806 NaCl 8,5 28,356 KF 7,33 28,690 KCl 10,48 34,261 KBr 10,41 34,728 KI 11,05 36,825 CsCl 10,387 34,647
Befindet sich zu einer negativen Ladung im Abstand eine positive Ladung mit dem normierten Verbindungsvektor und sind diese Ladungen untereinander starr verbunden, so besitzt diese Struktur ein Dipolmoment der Größe:
Je größer die Ladung , desto höher auch das Dipolmoment. Auch wenn die Ladungen weiter auseinanderrücken (wachsender Betrag von ), wird das Dipolmoment größer.
Befinden sich bei einer diskreten Ladungsverteilung Ladungen an den Orten relativ zum Ladungsschwerpunkt (falls die Gesamtladung Null ist: einem beliebigen Bezugspunkt), so setzt sich das Gesamtdipolmoment aus den Einzeldipolmomenten zusammen:
Im allgemeinen Fall einer kontinuierlichen Ladungsverteilung wird das Dipolmoment über die Ladungsdichte berechnet:
Der diskrete Fall geht aus dem allgemeinen hervor, wenn man die Ladungsdichte durch die einzelnen Ladungen und die Delta-Distribution darstellt:
Das Volumenintegral liefert dann nur Beiträge an den Orten der Ladungen, sodass sich ergibt:
Allgemein kann ein Potential in einen konstanten Teil und Multipolanteile, darunter eben das Dipolmoment, entwickelt werden.
Einheit Trotz der Umstellung auf das Internationale Einheitensystem (SI) wird weiterhin auch die cgs-Einheit Debye als Einheit des Dipolmoments verwendet, benannt nach dem holländischen Physiker Peter Debye. Der Grund dafür liegt darin, dass man bei der Verwendung der SI-Einheiten Coulomb und Meter mit sehr kleinen Zahlen umgehen müsste:
Für Moleküle liegt das Dipolmoment meist im Bereich von 0 Debye bis 12 Debye. Die polarste nichtionische, vollständig gesättigte Verbindung ist mit einem Dipolmoment von 6,2 Debye all-cis-1,2,3,4,5,6-Hexafluorcyclohexan.Neil S. Keddie, Alexandra M. Z. Slawin, Tomas Lebl, Douglas Philp, David O’Hagan: All-cis 1,2,3,4,5,6-hexafluorocyclohexane is a facially polarized cyclohexane. In: Nature Chemistry. 7, 2015, S. 483–488, doi:10.1038/nchem.2232, PMID 25991526.Stephen K. Ritter: Molecule Claims Most Polar Title. In: Chemical & Engineering News. 93(13), 2015, S. 5. Mit 14,1 Debye ist die ebenfalls nichtionische, aber ungesättigte Verbindung 5,6-Diaminobenzo-1,2,3,4-tetracarbonitril nochmals deutlich polarer.Stephen K. Ritter: Lopsided Benzene Sets A New Polarity Record. In: Chemical & Engineering News. 94(7), 2016, S. 23.Jakob Wudarczyk, George Papamokos, Vasilis Margaritis, Dieter Schollmeyer, Felix Hinkel, Martin Baumgarten, George Floudas, Klaus Müllen: Hexasubstituted Benzenes with Ultrastrong Dipole Moments. In: Angewandte Chemie International Edition. 55, 2016, S. 3220–3223, doi:10.1002/anie.201508249.
Das Dipolmoment kann man mit Hilfe der Debye-Gleichung durch Messung der Dielektrizitätskonstante bestimmen. Ferner geben Messungen des Stark-Effekts Auskunft über das Dipolmoment eines Stoffes.
Dipolmomente angeregter Zustände Die Kenntnis der Änderung von molekularen Dipolmomenten bei elektronischer Anregung ist wesentlich für das Verständnis wichtiger natürlicher photoinduzierter Prozesse, wie der Photosynthese oder des Sehvorgangs. Zur Bestimmung der Dipolmomente angeregter Zustände kommt die Messung von solvatachromen oder thermochromen Wellenlängen-Verschiebungen in Lösungen in Frage.
Die Dipolmomente μG im Grundzustand des Moleküls sowie μE im angeregten Zustand des Moleküls lassen sich berechnen mit Hilfe der Lippert-Mataga-Gleichung:
mit der Stokesverschiebung der Planck-Konstante der Lichtgeschwindigkeit der Permittivität ε des Lösungsmittels dem Brechungsindex n des Lösungsmittels dem Radius a der Lösungsmittelkavität.
Dipolmomente von Molekülen in der Gasphase können wesentlich genauer durch elektronische Stark-Spektroskopie bestimmt werden.
Siehe auch Dipolkraft
Literatur Otto Exner: Dipole Moments in Organic Chemistry. Stuttgart 1975, ISBN 3-13-523501-7.
Einzelnachweise
Kategorie:Elektrostatik