Momen lưỡng cực là gì?
Mômen lưỡng cực là thước đo độ phân cực của liên kết hóa học giữa hai nguyên tử trong phân tử. Nó liên quan đến khái niệm: mômen lưỡng cực điện – là thước đo sự phân tách các điện tích âm và dương trong một hệ thống.
Trong hoá học, momen lưỡng cực dùng để xác định độ phân cực của các loại hoá chất, dung môi công nghiệp. Từ đó xác định dung môi phân cực hay không phân cực. Ứng dụng nhiều trong ngành sơn, dung môi hoà tan,.
Mômen lưỡng cực của liên kết là một đại lượng vectơ vì nó có cả độ lớn và hướng. Hình minh họa mô tả mômen lưỡng cực xuất hiện trong phân tử HCl (axit clohidric) được cung cấp dưới đây:
Có thể lưu ý rằng ký hiệu 𝛿 + và 𝛿 – đại diện cho hai điện tích phát sinh trong phân tử có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Chúng cách nhau một khoảng cách nhất định, thường được ký hiệu là “d”.
Điều quan trọng về momen lưỡng cực
- Mômen lưỡng cực của liên kết đơn trong phân tử đa nguyên tử khác với mô men lưỡng cực của toàn bộ phân tử đa nguyên tử.
- Nó là một đại lượng vectơ, tức là nó có độ lớn cũng như hướng xác định.
- Bởi vì là một đại lượng vectơ, nó cũng có thể bằng 0 vì hai lưỡng cực có thể tác động ngược nhau và triệt tiêu lẫn nhau.
- Theo quy ước, nó được biểu thị bằng một mũi tên nhỏ có đuôi ở tâm âm và đầu nằm ở tâm dương.
- Trong hóa học, nó được biểu thị bằng một biến thể nhỏ của ký hiệu mũi tên. Nó được biểu thị bằng dấu thập trên tâm dương và đầu mũi tên ở tâm âm. Mũi tên này tượng trưng cho sự dịch chuyển mật độ electron trong phân tử.
- Trong trường hợp phân tử đa nguyên tử, mômen lưỡng cực của phân tử đa nguyên tử là tổng vectơ của tất cả các liên kết lưỡng cực hiện có trong phân tử đa nguyên tử đó.
Momen lưỡng cực dùng để làm gì?
- Momen lưỡng cực có thể được sử dụng để dự đoán hành vi của các phân tử trong điện trường. Ví dụ, các phân tử có momen lưỡng cực lớn sẽ bị hút vào các điện cực có điện tích trái dấu.
- Ngoài ra, momen lưỡng cực có thể được sử dụng để tính toán góc liên kết, độ phân cực điện, cường độ của các lực liên phân tử. Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực mạnh nhất khi các lưỡng cực thẳng hàng với nhau và yếu nhất khi chúng vuông góc với nhau.
- Phép tính momen lưỡng cực cũng là một công cụ hữu ích trong sinh học, vì nó có thể giúp xác định hình dạng của phân tử và sự sắp xếp của các liên kết hóa học trong phân tử protein và các phân tử khác.
Công thức tính momen lưỡng cực
Momen lưỡng cực là một đại lượng vectơ vì chúng có cả độ lớn (được xác định bởi hiệu độ âm điện) và hướng (dựa trên sự chuyển động của các electron về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn). Do đó, Momen lưỡng cực của một phân tử có thể bằng 0 khi một phân tử đối xứng có các momen lưỡng cực liên kết riêng lẻ (bằng độ lớn nhưng ngược hướng) triệt tiêu lẫn nhau.
Trong trường hợp này, phân tử sẽ được phân loại là không phân cực, mặc dù thực tế là nó có chứa nhiều liên kết phân cực.
Công thức tính mô men lưỡng cực
Mô men lưỡng cực (kí hiệu là µ) là tích của độ lớn của điện tích (Q) và khoảng cách giữa các tâm của các điện tích dương và âm (r).
Mô men lưỡng cực (µ) = Điện tích (Q) * khoảng cách tách biệt (r)
Nó được đo bằng đơn vị Debye ký hiệu là ‘D‘ (1D = 3,33564 × 10-30 C.m). Trong đó, Các đơn vị SI là Coulomb (culông) nhân mét (C.m).
Ví dụ: Cho hai nguyên tử có độ âm điện là 2,0 và 4,0. Vậy Hiệu độ âm điện (Q) là 2,0 và nếu các nguyên tử được phân tách bằng khoảng cách (r) 1,0 Angstrom, thì momen lưỡng cực sẽ là 2,0 D (Debye).
Mô men lưỡng cực liên kết phát sinh trong liên kết hóa học giữa hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau có thể được biểu thị như sau:
μ = 𝛿 . d
Trong đó:
- μ là mô men lưỡng cực liên kết,
- 𝛿 là độ lớn của các điện tích riêng 𝛿 + và 𝛿 – ,
- Và d là khoảng cách giữa 𝛿 + và 𝛿 – .
Ví dụ: Nếu chúng ta coi HCl là một hợp chất ion thuần túy thì điện tích của hydro và clo = 4,8 × 10−10 esu và độ dài liên kết = 1,27 × 10 −8 cm.
Momen lưỡng cực của HCl
μ = 𝛿 × d
= 4,8 × 10−10 × 1,27 × 10 −8 esu cm
Mômen lưỡng cực = 1,03 × 10 −18 esu cm = 1,03 Debye.
Mô men lưỡng cực của liên kết (μ) cũng là một đại lượng vectơ, có hướng song song với trục liên kết. Trong hóa học, các mũi tên được vẽ để biểu diễn các mô men lưỡng cực bắt đầu ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm.
Phân tử không phân cực
Một số hình dạng liên kết của phân tử có mô men lưỡng cực bằng 0 có dạng hình học phân tử đối xứng. Do đó, chúng sẽ không có lưỡng cực ngay cả khi được hình thành bởi các liên kết có cực. Những hình học này bao gồm tuyến tính, hình phẳng tam giác, tứ diện, bát diện và bipyramid tam giác.
Liên kết cộng hoá trị phân cực và liên kết ion phân cực
Momen lưỡng cực phát sinh trong bất kỳ hệ thống nào có sự phân tách điện tích. Do đó, chúng có thể phát sinh trong liên kết ion cũng như liên kết cộng hóa trị. Mô men lưỡng cực xảy ra do sự khác biệt về độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết hóa học.
Liên kết cộng hóa trị phân cực là gì?
Khi hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau tương tác, các electron có xu hướng dịch chuyển từ vị trí ban đầu của chúng đến gần nguyên tử có độ âm điện cao hơn. Đây gọi là sự phân cực của liên kết cộng hoá trị – liên kết cộng hoá trị phân cực, làm cho liên kết cộng hóa trị mang một phần tính chất ion.
Liên kết ion phân cực là gì?
Electron của cation là của cation, của anion là của anion và không dính dáng gì đến nhau. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, vì lực hút giữa 2 điện tích trái dấu quá mạnh, nên lớp vỏ electron của anion bị lệch về phía cation. Sự lệch này được gọi là sự phân cực của liên kết ion, làm cho liên kết ion mang một phần tính chất của liên kết cộng hóa trị.
Các ví dụ về momen lưỡng cực
Mômen lưỡng cực của BeF2
Trong phân tử beri florua, góc liên kết giữa hai liên kết beri – flo là 180 o . Flo, là nguyên tử âm điện hơn, làm dịch chuyển mật độ electron về phía chính nó. Các mô men lưỡng cực liên kết riêng lẻ trong phân tử BeF2 được minh họa bên dưới.
Từ hình minh họa được cung cấp ở trên, có thể hiểu rằng hai mômen lưỡng cực liên kết riêng lẻ triệt tiêu lẫn nhau trong phân tử BeF2 vì chúng có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng. Do đó, mô men lưỡng cực của phân tử BeF2 bằng không (độ phân cực phân tử bằng 0).
Mômen lưỡng cực của nước
Trong phân tử nước, các electron nằm xung quanh nguyên tử oxy vì nó có độ âm điện lớn hơn nhiều so với nguyên tử hydro. Tuy nhiên, sự hiện diện của một cặp electron duy nhất trong nguyên tử oxy khiến phân tử nước có hình dạng bị uốn cong (theo lý thuyết VSEPR ).
Do đó, các mômen lưỡng cực của liên kết riêng lẻ không triệt tiêu lẫn nhau như trường hợp trong phân tử BeF 2 . Hình minh họa mô tả mo men lưỡng cực trong phân tử nước được cung cấp bên dưới.
Tính momen lưỡng cực của nước
Bằng cách so sánh các giá trị độ âm điện của hydro và oxy, có sự khác biệt 1,2e cho mỗi liên kết hóa học hydro-oxy. Oxy có độ âm điện lớn hơn hydro, vì vậy nó tạo ra lực hút mạnh hơn đối với các electron được chia sẻ bởi các nguyên tử.
Ngoài ra, oxy có hai cặp electron đơn độc. Vì vậy, mômen lưỡng cực phải hướng về các nguyên tử oxy.
Momen lưỡng cực của nước được tính bằng cách nhân khoảng cách giữa các nguyên tử hydro và oxy với sự khác biệt về điện tích của chúng. Sau đó, góc giữa các nguyên tử được sử dụng để tìm mômen lưỡng cực ròng. Góc tạo bởi một phân tử nước đã biết là 104,5° và momen liên kết của liên kết OH là -1,5D.
Góc liên kết trong phân tử nước là 104,5 o . Mômen liên kết riêng của liên kết oxi – hiđro là 1,5 D. Tính momen lưỡng cực của nước.
μ = 2(1,5)cos(104,5°/2) = 1,84 D
Mômen lưỡng cực thuần trong phân tử nước là 1,84 D.
Câu hỏi thường gặp
Mômen lưỡng cực với hiệu độ âm điện?
Khi có sự khác biệt về độ âm điện của hai nguyên tử tham gia liên kết, thì mômen lưỡng cực xảy ra. Hiệu số độ âm điện giữa hai nguyên tử càng lớn thì momen lưỡng cực và độ phân cực của liên kết càng lớn.
Momen lưỡng cực của CO2?
Trong một phân tử Carbon dioxide (CO2), có hai liên kết cộng hóa trị có cực. Mỗi loại liên quan đến nguyên tử Carbon trung tâm và một nguyên tử Oxy kèm theo.
Vì Oxy có độ âm điện cao hơn Cacbon, nên cả hai nguyên tử Oxy đều mang một phần điện tích âm. Trong khi nguyên tử Carbon mang một phần điện tích dương. Kết quả là hai mũi tên biểu thị các khoảnh khắc lưỡng cực liên kết của phân tử hướng ra khỏi nguyên tử Carbon và hướng tới các nguyên tử Oxy.
Ngoài ra, do nguyên tử trung tâm liên kết với hai nguyên tử khác và không có bất kỳ cặp electron tự do nào nên CO2 có cấu trúc tuyến tính (với góc liên kết là 180°).
Do đó, hai momen lưỡng cực liên kết chạy ngược chiều nhau và triệt tiêu lẫn nhau. Điều này có nghĩa là: CO2 có momen lưỡng cực ròng bằng 0 và là một phân tử không phân cực
