Закони поляризації молекул - студопедія

Молекула (атом, іон) складається з нейтральних і позитивно і негативно заряджених частинок. Розрізняють два види часток - з симетричним розподілом заряду (H2. CH4. C6 H6 і ін.) І несиметричним (HX, CH3 X, C6 H5 X: Х - галоген і ін.). Це неполярні і полярні молекули. Полярну молекулу називають також диполем або дипольної молекулою.

У двухатомной дипольної молекулі на одному з атомів є надлишок негативних, а на іншому - такий же надлишок позитивних зарядів. Сумарний заряд дорівнює нулю. У багатоатомних молекул існують деякі області з надлишками позитивних і негативних зарядів. Однак і тут можна уявити собі два центри зарядів.

Дипольниммоментом (. Кл × м) називають твір заряду (. Кл) на відстань між зарядами (. М):

Дипольний момент слід розглядати як вектор, спрямований від негативного заряду до позитивного (в хімії зазвичай приймають зворотний напрямок). Якщо молекула складається з безлічі атомів, то її дипольний момент визначається як векторна сума:

У звичайних умовах дипольні моменти молекул в речовині орієнтовані довільно і компенсують один одного.

При приміщенні речовини в електричне поле (створюване конденсатором або полярної молекулою, іоном і т.п.) полярні молекули прагнуть орієнтуватися вздовж напрямку поля. Сумарний дипольний момент молекул в цьому випадку> 0, його називають орієнтаційний дипольний момент.

При приміщенні як полярної, так і неполярной молекули в електричне поле відбувається зміщення зарядів один щодо одного, що створює індукований (наведений) дипольний момент. Його називають деформаційних дипольниммоментом.

Виникнення дипольного моменту молекул речовини під дією електричного поля називається поляризацією з'єднання. Вона є сумою деформаційного і орієнтаційної дипольного моменту молекул.

Деформаційна поляризація молекули пропорційна напруженості поля (. В / м). Виникає в результаті цього наведений дипольний момент пов'язаний з величиною співвідношенням:

в якому коефіцієнт пропорційності (. м 3) називається деформационной поляризуемостью молекули. Деформаційна поляризованість молекули є сумою електронного та атомного вкладів:

обумовлених зміщенням з положень рівноваги під дією зовнішнього електричного поля атомів і електронів. Чим більш віддалені зовнішні електрони молекули (атома) від ядер, тим вище електронна поляризованість. Зсув атомних ядер, важких в порівнянні з електронами, невелика і складає приблизно від 5 до 10% від.

Орієнтаційна поляризація з'єднання - полярні молекули в електричному полі орієнтуються уздовж силових ліній поля, прагнучи в результаті прийняти найбільш стійке положення, відповідне мінімуму потенційної енергії. Це явище називається орієнтаційної поляризацією і еквівалентно збільшенню поляризуемости на величину. званої орієнтаційної поляризуемостью:

де k - постійна Больцмана, Дж / К;

T - абсолютна температура, К.

Орієнтаційна поляризованість зазвичай на порядок вище, ніж деформационная поляризованість. З рівняння (43) випливає, що зменшується з ростом температури, тому що тепловий рух перешкоджає орієнтації молекул.

Повна поляризованість молекули є сумою трьох величин:

Поляризуемость має розмірність об'єму і виражається в м 3.

Повна поляризація речовини (молярна поляризація. М 3 / моль) пов'язана з відносною діелектричною проникністю речовини рівнянням Дебая:

де - молярна маса речовини, г / моль;

- його щільність, г / м 3;

- відносна діелектрична постійна середовища.

Повна поляризація спостерігається тільки в статичному полі і в поле низької частоти. В поле високої частоти диполі не встигають орієнтуватися. Тому, наприклад, в поле інфрачервоного випромінювання виникає електронна і атомна поляризація, а в поле видимого випромінювання - тільки електронна поляризація, так як завдяки високій частоті коливань поля зміщуються тільки найлегші частки - електрони. Для неполярних речовин орієнтаційна поляризація дорівнює нулю.

Електромагнітна теорія Максвелла для прозорих неполярних речовин призводить до співвідношення:

де - показник заломлення (для полярних речовин). Підставивши в рівняння (45) рівняння (46) і вважаючи, що. отримуємо:

Величина називається молекулярною рефракцією речовини.

З рівняння (47) випливає, що величина R. визначається через показник заломлення речовини, служить мірою електронної поляризуемости його молекул. Взагалі кажучи, показник заломлення n залежить від довжини хвилі випромінювання і рівність строго справедливо для l = ¥. Екстраполяція n до n ¥ проводиться зазвичай за формулою Коші:

Константи b і n ¥ визначають, вимірявши n при двох різних l, наприклад lF і lC ліній спектра водню. У більшості випадків визначають не R ¥. а RD. вимірявши nD для жовтої D лінії натрію.

У фізико-хімічних дослідженнях користуються також питомої рефракцією:

Рефракція має розмірність об'єму, віднесеного до певної порції речовини:

питома рефракція - (див 3 / г);

молекулярна - (див 3 / моль).

Дуже наближено молекулу можна розглядати як сферу ефективного радіуса rM з проводить поверхнею. В цьому випадку:

Тоді з рівнянь (47, 50) отримаємо:

Таким чином, молекулярна рефракція дорівнює власним обсягом NA молекул речовини.

Для неполярних речовин R ». для полярних речовин R менше на значення орієнтаційної поляризації.

Як випливає з рівняння (47), молекулярна рефракція визначається тільки поляризуемостью і тому не залежить від температури і агрегатного стану речовини. Таким чином, рефракція є характеристичною константою речовини.