Momento dipolare
Il momento dipolare si rappresenta con un vettore parallelo all’asse di legame, con la freccia che va dall’atomo meno elettronegativo verso quello più elettronegativo.
Qualunque legame chimico deriva dall’addensamento di densità di carica nella regione di legame in misura sufficiente da bilanciare le forze di repulsione.
Il legame ionico e il legame covalente rappresentano i due estremi possibili per il raggiungimento di questo stato di equilibrio elettrostatico; poiché i composti ionici e quelli covalenti presentano proprietà chimiche e fisiche molto diverse tra loro, al fine di poter prevedere molte delle proprietà di una sostanza, è necessario conoscere quale di questi due tipi di legame maggiormente si avvicina alla sostanza in esame.
Possiamo avere una misura sperimentale che ci dia indicazioni su dove la densità di carica è collocata: la proprietà che determina l’asimmetria della distribuzione di carica è detta momento dipolare. Per meglio comprendere la definizione di momento dipolare consideriamo la molecola LiF assumendo che, stanti le rispettive elettronegatività dei due elementi, un elettrone sia trasferito dal litio al fluoro e che la distribuzione di carica degli ioni sia sferica.
Definizione
Il momento dipolare è definito come il prodotto della quantità totale di carica positiva o negativa e la distanza tra i due baricentri. I baricentri delle cariche positive e negative in una molecola sono determinati in maniera analoga a come viene determinato il centro di massa di un sistema.
Con riferimento alla figura:
Il centro di gravità della carica positiva può essere ricavato risolvendo il sistema di equazioni:
3 a = 9 b (1)
a + b = R (2)
Dividendo la prima equazione per 3 si ha:
a = 3 b da cui b = a/3
Sostituendo nella (2) il valore di b si ha
a + a/3 = R ovvero 4 a/3 = R
ovvero a = 3R/4
Tutta la carica positiva nella molecola LiF si può ritenere che sia ad un quarto della lunghezza del legame rispetto al nucleo di fluoro. Analogamente, il baricentro della carica negativa, ricordando che un elettrone si è trasferito dall’atomo di litio a quello di fluoro, si trova a un sesto della della lunghezza del legame rispetto al nucleo di fluoro quindi il baricentro delle cariche positive non coincide con quello delle cariche negative essendo il baricentro delle cariche negative più vicino all’atomo di fluoro rispetto al baricentro delle cariche positive. Sebbene la molecola sia elettricamente neutra essa presenta una separazione di carica.
Distanza tra i baricentri
Chiamiamo con l la distanza tra i baricentri della carica:
l = ( 5/6 – 3/4) R = R/12
e poiché nella molecola LiF sono presenti 12 elettroni, il momento dipolare indicato con μ vale:
μ = (12 e) ( R/12) = eR
Il momento dipolare, in questo caso, è numericamente uguale all’eccesso di carica positiva sul nucleo di Litio e a un eccesso di carica negativa sul nucleo di Fluoro. Poiché R nel caso della molecola LiF è pari a 1.53 · 10-8 cm e la carica dell’elettrone nel sistema CGS è pari a 4.80 · 10-10 e.s.u. (unità di carica elettrostatica) si ha:
μ = eR = 7.34 · 10-18 esu cm
Poiché 1 debye = 1 · 10-18 esu cm si ha che μ = 7.34 debyes
Il valore sperimentale di μ per la molecola di LiF è leggermente inferiore a quello calcolato essendo pari a 6.28 debyes; il motivo della discrepanza è riconducibile all’ipotesi formulata relativa alla sfericità della distribuzione della carica intorno ai due ioni. Da quanto detto si ha il momento dipolare presente in un legame covalente è nullo in quanto il baricentro della carica positiva coincide con il baricentro della carica negativa. I valori del momento dipolare vanno da zero ( legame covalente) a neR (legame ionico) essendo n il numero di elettroni trasferiti nella formazione del legame ionico.