Dipolmoment - Grundlagen

DIPOLMOMENT

I. Grundlagen

Das Dipolmoment μ beschreibt die Unsymmetrie der Ladungsverteilung im Molekül als messbare Größe.

μ ist definiert als "Ladung x Abstand". Messbar ist μ (genauer der Betrag von μ) aus der Auswertung physikalischer Messungen (Dielektrizitätskonstante und Brechungsindex). Für qualitative Überlegungen ist nur wichtig, dass μ eine Größe mit Betrag und Richtung ist.
μ wird meistens noch in der Einheit D (1 D = 3,34 x 10^-30 C m) angegeben. D = "Debye" nach dem holländischen Physiker Peter Debye.

Grafisch symbolisieren wir μ mit einem Pfeil der von der positiven zur negativen Ladung zeigt. Die Länge des Pfeils entspricht dabei dem Betrag von μ.

In Molekülen kann die gesamte Unsymmetrie der Ladungsverteilung als "geometrische Summe" der Unsymmetrie in den einzelnen Bindungen gebildet werden. (Gesamtdipolmoment = Summe der Bindungsdipolmomente). Bei der "geometrischen Summe" addiert man die Pfeile unter Berücksichtigung des Betrags und der Richtung. In der Physik ist diese Konstruktion als "Kräfteparallelogramm" bekannt. Mathematisch nennt man diese Konstruktion eine "Vektoraddition". An Beispielen versteht man das schnell.

Beispiel 1: CO₂ - lineares Molekül

O ist elektronegativer als C. Es liegen zwei Bindungsdipolmomente vor. Diese haben den gleichen Betrag (zweimal dieselbe Situation C=O), aber entgegengesetzte Richtung.
Wegen der entgegengesetzten Richtung heben sich die beiden Einzelmomente auf, insgesamt hat das lineare symmetrische Molekül CO₂ kein Dipolmoment (μ = 0).
Wenn zwei gleich starke Personen an einem Strick in genau entgegengesetzte Richtung ziehen, heben sich die Kräfte auf - und es geschieht nichts.

Beispiel 2: H₂O - gewinkeltes Molekül

O ist elektronegativer als H. Zwei Bindungsdipolmomente mit gleichem Betrag aber verschiedener Richtung.
Die beiden Einzelmomente werden addiert: Die Pfeile werden am Endpunkt nebeneinander gezeichnet, dann wird ein Parallelogramm gezeichnet, die Diagonale dieses Parallelogramms ist die "geometrische Summe".
Das gewinkelte Molekül H₂O hat ein Dipolmoment (μ > 0).

Beispiel 3: BF₃ - trigonal ebenes Molekül (Zentralatom + 3 gleiche Partner in einer Ebene)

F ist elektronegativer als B. Drei Bindungsdipolmomente mit gleichem Betrag aber verschiedener Richtung.
Die drei Einzelmomente werden addiert: Die Pfeile werden am Endpunkt nebeneinander gezeichnet. Bei einer genauen(!) Skizze erkennt man, dass die Summe von Pfeil 1 und Pfeil 2 genau so lang wie Pfeil 3 ist. Pfeil 3 und die Summe 1+2 zeigen in genau entgegengesetzte Richtung. Wie im Beispiel 1 heben sich diese beiden Moment auf.
Das trigonal ebene Molekül BF₃ hat kein Dipolmoment (μ = 0).

Beispiel 4: NH₄⁺ - Tetraederstruktur (Zentralatom + 4 gleiche Partner in Tetraederumgebung)

N ist elektronegativer als H. Vier Bindungsdipolmomente mit gleichem Betrag aber verschiedener Richtung. {Hier als ebene Projektion gezeichnet.}
Die Addition der vier Einzelmomente liefert die Summe 0. Für eine räumliche Figur ist die Zeichnung ein wenig umständlicher. Das tetraedrisch aufgebaute Ion NH₄⁺ hat kein Dipolmoment (μ = 0).

Bitte eine Skizze zur "geometrischen Summe" in einem Tetraeder!
Rechnerische Lösung für "trigonal eben":
Rechnerische Lösung für "tetraedrisch":

WEITER: Übungen

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