www.wikidata.de-de.nina.az

Elektrisches Dipolmoment Physikalische GrößeName Formelzeichen p d displaystyle vec p vec d Größen undEinheitensystem Ei

Elektrisches Dipolmoment

Physikalische Größe
Name Elektrisches Dipolmoment
Formelzeichen
Größen- und
Einheitensystem 		Einheit Dimension
SI C·m I·L·T
Gauß, esE (cgs) D = 10−18·statC·cm L5/2·M½·T−1
emE (cgs) abC·cm L3/2·M½

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.

Dipolmoment eines H2O-Moleküls.
rot: negative Teilladung
blau: positive Teilladung
grün: gerichteter Dipol

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 Bearbeiten

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 Bearbeiten

Elektrisches Dipolmoment ausgewählter Moleküle
Molekül Dipolmoment
in Debye		 Dipolmoment
in 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 Bearbeiten

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. Mit 14,1 Debye ist die ebenfalls nichtionische, aber ungesättigte Verbindung 5,6-Diaminobenzo-1,2,3,4-tetracarbonitril nochmals deutlich polarer.

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 Bearbeiten

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

Dipolmomente von Molekülen in der Gasphase können wesentlich genauer durch elektronische Stark-Spektroskopie bestimmt werden.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Otto Exner: Dipole Moments in Organic Chemistry. Stuttgart 1975, ISBN 3-13-523501-7.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Gordon M. Barrow: PHYSIKALISCHE CHEMIE. 6., berichtigte Auflage. Gesamtausgabe. Bohmann Verlag, Wien 1984, ISBN 3-528-53806-6, Teil I 7 – Elektrische und magnetische Molekülmomente, S. 247–259.
  2. Paul Allen Tipler, Gene Mosca: Physik für Studierende der Naturwissenschaften und Technik. Hrsg.: Peter Kersten, Jenny Wagner. 8. Auflage. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg 2019, ISBN 978-3-662-58281-7, S. 684.
  3. Peter W. Atkins, Loretta Jones: Chemie – einfach alles. Hrsg.: Rüdiger Faust. 2. Auflage. WILEY-VCH, Weinheim 2006, ISBN 978-3-527-31579-6, S. 86.
  4. Peter W. Atkins, Julio de Paula, James E. Keeler: Physikalische Chemie. 6. Auflage. WILEY-VCH, Weinheim 2022, ISBN 978-3-527-34550-2, S. 763.
  5. Bei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 101,325 kPa.
  6. ↑ David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 87. Auflage. B&T, 2006, ISBN 0-8493-0487-3.
  7. David Frank Eggers: Physical chemistry. Wiley, 1964, ISBN 978-0-471-23395-4, S. 572 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  8. ↑ BI Bleaney, Betty Isabelle Bleaney, Brebis Bleaney: Electricity and Magnetism. 3. Auflage. Vol. 2. OUP Oxford, 2013, ISBN 978-0-19-964543-5, S. 303 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  9. Jean-Marie André, Joseph Delhalle, Jean Luc Brédas: Quantum Chemistry Aided Design of Organic Polymers An Introduction to the Quantum Chemistry of Polymers and Its Applications. World Scientific, 1991, ISBN 978-981-02-0004-6, S. 89 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. Jacob N. Israelachvili: Intermolecular and Surface Forces Revised Third Edition. Academic Press, 2011, ISBN 978-0-12-391927-4, S. 72 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  11. ↑ Ernst-Wilhelm Otten: Repetitorium Experimentalphysik. Springer, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-85788-4, S. 464 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. Armin Wachter, Henning Hoeber: Repetitorium Theoretische Physik. Springer, Berlin/Heidelberg 2013, ISBN 978-3-662-09755-7, S. 175 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  13. Ralf Steudel: Chemie der Nichtmetalle mit Atombau, Molekülgeometrie und Bindungstheorie. Walter de Gruyter, 1998, ISBN 978-3-11-015902-8, S. 137 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  14. 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.
  15. Stephen K. Ritter: Molecule Claims Most Polar Title. In: Chemical & Engineering News. 93(13), 2015, S. 5.
  16. Stephen K. Ritter: Lopsided Benzene Sets A New Polarity Record. In: Chemical & Engineering News. 94(7), 2016, S. 23.
  17. 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.
  18. E. Lippert: Spektroskopische Bestimmung des Dipolmomentes aromatischer Verbindungen im ersten angeregten Singulettzustand. In: Z. Electrochem. Band 61, 1957, S. 962.
  19. N. Mataga, Y. Kaifu, M. Koizumi: Solvent effects upon fluorescence spectra and the dipole moments of excited molecules. In: Bull. Chem. Soc. Jpn. Band 29, 1956, S. 465.
  20. Josefin Wilke, Martin Wilke, W. Leo Meerts, Michael Schmitt: Determination of ground and excited state dipole moments via electronic Stark spectroscopy: 5-methoxyindole. In: The Journal of Chemical Physics. Band 144, Nr. 4, 28. Januar 2016, ISSN 0021-9606, S. 044201, doi:10.1063/1.4940689.
wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele
Veröffentlichungsdatum:
Physikalische GrosseName Elektrisches DipolmomentFormelzeichen p d displaystyle vec p vec d Grossen undEinheitensystem Einheit DimensionSI C m I L TGauss esE cgs D 10 18 statC cm L5 2 M T 1emE cgs abC cm L3 2 M Das elektrische Dipolmoment p displaystyle vec p ist eine Eigenschaft der Verteilung elektrischer Ladungen Es wird vom zweiten Koeffizienten der Multipolentwicklung des elektrischen Feldes reprasentiert und charakterisiert die raumliche Ladungstrennung entlang einer Achse Hat man in einem Korper z B einem Molekul 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 Korper ein elektrisches Dipolmoment Dipolmoment eines H2O Molekuls rot negative Teilladungblau positive Teilladunggrun gerichteter DipolIn der Chemie ist das Dipolmoment ein Mass fur die Starke eines Dipolmolekuls und damit fur die Polaritat eines Molekuls Diese wird durch polare Atombindungen oder im Extremfall durch ionische Bindungen hervorgerufen Es sind auch andere Dipole z B magnetische Dipole moglich die folglich auch andere Dipolmomente ausbilden Inhaltsverzeichnis 1 Richtungskonvention 2 Berechnung 3 Einheit 4 Dipolmomente angeregter Zustande 5 Siehe auch 6 Literatur 7 EinzelnachweiseRichtungskonvention BearbeitenBezuglich der Richtung des Vektors des elektrischen Dipolmomentes herrschen in den verschiedenen Fachbereichen verschiedene Konventionen Wahrend in der Physik der Pfeil von der negativen Ladung zur positiven gezeichnet wird 1 2 wird es beispielsweise in der physikalischen Chemie die Richtung andersherum angegeben von der positiven Ladung zur negativen 3 4 Berechnung BearbeitenElektrisches Dipolmoment ausgewahlter Molekule 5 Molekul Dipolmomentin Debye Dipolmomentin 10 30 C mCO 6 0 11 0 367HF 6 1 826178 6 0915HCl 6 1 109 3 700HBr 6 0 827 2 759HI 6 0 448 1 495NH3 6 1 471 4 907PF3 7 1 025 3 419H2O 8 1 84 6 152H2S 6 0 97 3 236CH2O 9 2 34 7 806NaCl 10 8 5 28 356KF 8 7 33 28 690KCl 8 10 48 34 261KBr 8 10 41 34 728KI 8 11 05 36 825CsCl 6 10 387 34 647Befindet sich zu einer negativen Ladung q displaystyle q nbsp im Abstand l displaystyle l nbsp eine positive Ladung q displaystyle q nbsp mit dem normierten Verbindungsvektor e l displaystyle vec e l nbsp und sind diese Ladungen untereinander starr verbunden so besitzt diese Struktur ein Dipolmoment der Grosse 11 p q l e l displaystyle vec p q cdot l cdot vec e l nbsp Je grosser die Ladung q displaystyle q nbsp desto hoher auch das Dipolmoment Auch wenn die Ladungen weiter auseinanderrucken wachsender Betrag von l displaystyle vec l nbsp wird das Dipolmoment grosser Befinden sich bei einer diskreten Ladungsverteilung n displaystyle n nbsp Ladungen q i displaystyle q i nbsp an den Orten r i displaystyle vec r i nbsp relativ zum Ladungsschwerpunkt falls die Gesamtladung Null ist einem beliebigen Bezugspunkt so setzt sich das Gesamtdipolmoment p displaystyle vec p nbsp aus den Einzeldipolmomenten p i displaystyle vec p i nbsp zusammen p i 1 n p i i 1 n q i r i displaystyle vec p sum i 1 n vec p i sum i 1 n q i vec r i nbsp Im allgemeinen Fall einer kontinuierlichen Ladungsverteilung wird das Dipolmoment uber die Ladungsdichte r r displaystyle rho vec r nbsp berechnet 11 p V r r r d 3 r displaystyle vec p int V rho vec r cdot vec r mathrm d 3 r nbsp Der diskrete Fall geht aus dem allgemeinen hervor wenn man die Ladungsdichte r r displaystyle rho vec r nbsp durch die einzelnen Ladungen q i displaystyle q i nbsp und die Delta Distribution d r r i displaystyle delta vec r vec r i nbsp darstellt r r i 1 n q i d r r i displaystyle rho vec r sum i 1 n q i delta vec r vec r i nbsp Das Volumenintegral liefert dann nur Beitrage an den Orten r i displaystyle vec r i nbsp der Ladungen sodass sich ergibt p V i 1 n q i d r r i r d 3 r i 1 n q i r i displaystyle vec p int V sum i 1 n q i delta vec r vec r i vec r mathrm d 3 r sum i 1 n q i vec r i nbsp Allgemein kann ein Potential in einen konstanten Teil und Multipolanteile darunter eben das Dipolmoment entwickelt werden 12 Einheit BearbeitenTrotz der Umstellung auf das Internationale Einheitensystem SI wird weiterhin auch die cgs Einheit Debye als Einheit des Dipolmoments verwendet benannt nach dem hollandischen Physiker Peter Debye Der Grund dafur liegt darin dass man bei der Verwendung der SI Einheiten Coulomb und Meter mit sehr kleinen Zahlen umgehen musste 13 p 1 D e b y e 3 335 64 10 30 C o u l o m b M e t e r displaystyle p 1 mathrm Debye 3 33564 cdot 10 30 mathrm Coulomb cdot mathrm Meter nbsp Fur Molekule liegt das Dipolmoment meist im Bereich von 0 Debye bis 12 Debye Die polarste nichtionische vollstandig gesattigte Verbindung ist mit einem Dipolmoment von 6 2 Debye all cis 1 2 3 4 5 6 Hexafluorcyclohexan 14 15 Mit 14 1 Debye ist die ebenfalls nichtionische aber ungesattigte Verbindung 5 6 Diaminobenzo 1 2 3 4 tetracarbonitril nochmals deutlich polarer 16 17 Das Dipolmoment kann man mit Hilfe der Debye Gleichung durch Messung der Dielektrizitatskonstante bestimmen Ferner geben Messungen des Stark Effekts Auskunft uber das Dipolmoment eines Stoffes Dipolmomente angeregter Zustande BearbeitenDie Kenntnis der Anderung von molekularen Dipolmomenten bei elektronischer Anregung ist wesentlich fur das Verstandnis wichtiger naturlicher photoinduzierter Prozesse wie der Photosynthese oder des Sehvorgangs Zur Bestimmung der Dipolmomente angeregter Zustande kommt die Messung von solvatachromen oder thermochromen Wellenlangen Verschiebungen in Losungen in Frage 18 19 Die Dipolmomente mG im Grundzustand des Molekuls sowie mE im angeregten Zustand des Molekulslassen sich berechnen mit Hilfe der Lippert Mataga Gleichung n A n E 2 h c e 1 2 e 1 n 2 1 2 n 2 1 m G m E 2 a 3 const displaystyle overline nu A overline nu E frac 2 hc biggl frac varepsilon 1 2 varepsilon 1 frac n 2 1 2n 2 1 biggr frac mu G mu E 2 a 3 text const nbsp mit der Stokesverschiebung n A n E textstyle overline nu A overline nu E nbsp der Planck Konstante h displaystyle h nbsp der Lichtgeschwindigkeit c displaystyle c nbsp der Permittivitat e des Losungsmittels dem Brechungsindex n des Losungsmittels dem Radius a der Losungsmittelkavitat Dipolmomente von Molekulen in der Gasphase konnen wesentlich genauer durch elektronische Stark Spektroskopie bestimmt werden 20 Siehe auch BearbeitenDipolkraftLiteratur BearbeitenOtto Exner Dipole Moments in Organic Chemistry Stuttgart 1975 ISBN 3 13 523501 7 Einzelnachweise Bearbeiten Gordon M Barrow PHYSIKALISCHE CHEMIE 6 berichtigte Auflage Gesamtausgabe Bohmann Verlag Wien 1984 ISBN 3 528 53806 6 Teil I 7 Elektrische und magnetische Molekulmomente S 247 259 Paul Allen Tipler Gene Mosca Physik fur Studierende der Naturwissenschaften und Technik Hrsg Peter Kersten Jenny Wagner 8 Auflage Springer Spektrum Berlin Heidelberg 2019 ISBN 978 3 662 58281 7 S 684 Peter W Atkins Loretta Jones Chemie einfach alles Hrsg Rudiger Faust 2 Auflage WILEY VCH Weinheim 2006 ISBN 978 3 527 31579 6 S 86 Peter W Atkins Julio de Paula James E Keeler Physikalische Chemie 6 Auflage WILEY VCH Weinheim 2022 ISBN 978 3 527 34550 2 S 763 Bei einer Temperatur von 20 C und einem Druck von 101 325 kPa a b c d e f g h David R Lide CRC Handbook of Chemistry and Physics 87 Auflage B amp T 2006 ISBN 0 8493 0487 3 David Frank Eggers Physical chemistry Wiley 1964 ISBN 978 0 471 23395 4 S 572 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b c d e BI Bleaney Betty Isabelle Bleaney Brebis Bleaney Electricity and Magnetism 3 Auflage Vol 2 OUP Oxford 2013 ISBN 978 0 19 964543 5 S 303 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Jean Marie Andre Joseph Delhalle Jean Luc Bredas Quantum Chemistry Aided Design of Organic Polymers An Introduction to the Quantum Chemistry of Polymers and Its Applications World Scientific 1991 ISBN 978 981 02 0004 6 S 89 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Jacob N Israelachvili Intermolecular and Surface Forces Revised Third Edition Academic Press 2011 ISBN 978 0 12 391927 4 S 72 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b Ernst Wilhelm Otten Repetitorium Experimentalphysik Springer Berlin Heidelberg 2008 ISBN 978 3 540 85788 4 S 464 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Armin Wachter Henning Hoeber Repetitorium Theoretische Physik Springer Berlin Heidelberg 2013 ISBN 978 3 662 09755 7 S 175 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Ralf Steudel Chemie der Nichtmetalle mit Atombau Molekulgeometrie und Bindungstheorie Walter de Gruyter 1998 ISBN 978 3 11 015902 8 S 137 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche 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 amp Engineering News 93 13 2015 S 5 Stephen K Ritter Lopsided Benzene Sets A New Polarity Record In Chemical amp Engineering News 94 7 2016 S 23 Jakob Wudarczyk George Papamokos Vasilis Margaritis Dieter Schollmeyer Felix Hinkel Martin Baumgarten George Floudas Klaus Mullen Hexasubstituted Benzenes with Ultrastrong Dipole Moments In Angewandte Chemie International Edition 55 2016 S 3220 3223 doi 10 1002 anie 201508249 E Lippert Spektroskopische Bestimmung des Dipolmomentes aromatischer Verbindungen im ersten angeregten Singulettzustand In Z Electrochem Band 61 1957 S 962 N Mataga Y Kaifu M Koizumi Solvent effects upon fluorescence spectra and the dipole moments of excited molecules In Bull Chem Soc Jpn Band 29 1956 S 465 Josefin Wilke Martin Wilke W Leo Meerts Michael Schmitt Determination of ground and excited state dipole moments via electronic Stark spectroscopy 5 methoxyindole In The Journal of Chemical Physics Band 144 Nr 4 28 Januar 2016 ISSN 0021 9606 S 044201 doi 10 1063 1 4940689 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Elektrisches Dipolmoment amp oldid 236325912