Il momento dipolare in una molecola biatomica si verifica quando il baricentro delle cariche positive non coincide con il baricentro delle cariche negative e la molecola si dice polare e presenta un momento dipolare
Se si immagina che in una molecola AB una parziale carica positiva risieda sull’elemento A e una parziale carica negativa risieda sull’elemento B allora la molecola si comporta come un dipolo elettrico il cui senso è:
senso del dipolo →
(δ+)·A————–·B(δ–)
e il cui modulo μ = δ ∙d essendo d la distanza tra le cariche e δ il valore assoluto della frazione di carica.
Momento dipolare
Se due cariche elettriche unitarie (carica dell’elettrone = 4.8 ∙ 10-10 Fr essendo il franklin (Fr) l’unità di carica elettrica nel sistema cgs) di segno opposto sono separate da una distanza unitaria (1Å = 10-8 cm) allora il momento di dipolo risultante è:
μ = 4.8 · 10-10 Fr · 10-8 cm = 4.8 ∙10-18 Fr cm
siccome i momenti dipolari molecolari hanno valori di questo tipo di ordine di grandezza, essi possono essere espressi in una unità convenzionale il Debye definito come 1 D = 1.0 ∙ 10-18 Fr cm.
Il momento dipolare di una molecola è la risultante di più contributi che, nel caso generale, derivano dalla distribuzione non simmetrica delle coppie di elettroni di legame e delle coppie di non legame: la distribuzione non simmetrica delle coppie di legame è ricollegabile alla diversa elettronegatività degli elementi che costituiscono la molecola e alle dimensioni atomiche differenti.
La distribuzione non simmetrica delle coppie di elettroni di non legame è, invece, una conseguenza della diversa simmetria degli orbitali atomici di un atomo quando è legato rispetto a quando è isolato.
Esempio
Il cloruro di idrogeno ha momento dipolare sperimentale di 1.07 D il cui verso è diretto dall’atomo di idrogeno a quello di cloro. Esso può essere considerato come la risultante di tre contributi:
1) L’atomo di cloro ha un’elettronegatività maggiore rispetto all’atomo di idrogeno (3.0 contro 2.1 nella scala di Pauling), cioè ha una maggiore tendenza a polarizzare verso di sé la coppia di elettroni di legame. Per effetto di ciò la polarità del legame è diretta come da figura: H→ Cl
2) L’atomo di idrogeno ha dimensioni molto minori di quelle del cloro raggi covalenti: 0.28 Å e 0.99 Å), ovvero l’orbitale 1s dell’idrogeno si estende in una regione molto minore dell’orbitale impiegato dal cloro per il legame. In conseguenza di ciò la regione di sovrapposizione di questi due orbitali atomici è più vicina al nucleo di idrogeno che non a quello di cloro e ciò dà origine a un contributo al momento dipolare di legame di senso opposto al precedente, cioè H← Cl con la parte negativa sull’atomo di idrogeno
3) Considerando infine le coppie di elettroni non di legame più interne (1s2, 2s2, 2p6) , esse sono sfericamente distribuite intorno al nucleo, mentre gli elettroni del guscio esterno (3s2,3p5) del cloro legato ad un qualunque altro atomo hanno una simmetria non sferica e differente rispetto a quella dell’atomo isolato, in modo da dare origine a una separazione di carica e a un momento dipolare diretto nel senso H→Cl.
La risultante di questi tre contributi è il momento dipolare molecolare di 1.07 D diretto nel senso H→Cl.