Dipolstärke

Dipolstärke, in der Physik und Chemie oft als Dipolmoment bezeichnet, ist ein Maß für die Trennung von Elektronenladungen in einem Molekül oder einem mehrteiligen System. Es handelt sich um einen Vektor p, der sich aus der Summe der Positionsvektoren der Ladungen ergibt: p = ∑ q_i r_i. Für ein neutrales System ist der Dipolmoment unabhängig von der gewählten Ursprungsrichtung. Die Einheiten sind meist Debye (D); 1 Debye entspricht etwa 3.33564 × 10^-30 C·m.

Es gibt zwei zentrale Konzepte: das permanente Dipolmoment eines Moleküls im Grundzustand und das Übergangs-Dipolmoment, das bei elektronischen, vibrationalen oder rotationalen Übergängen beschreibend ist. Das permanente Dipolmoment μ wird als μ = ⟨ψ| μ̂ |ψ⟩ definiert, wobei μ̂ der Dipolmoment-Operator ist. Das Übergangs-Dipolmoment μ_ij = ⟨i| μ̂ |j⟩ beschreibt die Stärke einer Transition zwischen Zuständen i und j und bestimmt wesentlich die Intensität von Spektrallinien.

Messung und Berechnung: Das permanente Dipolmoment einzelner Moleküle lässt sich durch Mikrowellen- oder Gasphasen-Dielectrismusmessungen bestimmen; Übergangsdipolmomente werden aus IR- oder UV/Vis-Spektren abgeleitet oder mit quantenchemischen Berechnungen geschätzt. IR-Aktivität erfordert eine Änderung des Dipolmoments während der Schwingung (Δμ ≠ 0); Raman-Spektroskopie beruht auf Polarizierbarkeitsänderungen statt ausschließlich auf Dipolmomenten.

Beispiele: Wasser hat ein permanentes Dipolmoment von etwa 1,85 D, HCl etwa 1,08 D, CO etwa 0,11 D. Dipolstärke beeinflusst Eigenschaften wie die Molekülpolarität, das die Orientierung in Feldern erleichtert, und wirkt sich auf die Makroskopik aus, z. B. auf die Dielektrizität und Polarisation eines Materials.