Индуцированный дипольный момент

Дипольный момент молекулы и связи

Министерство общего и профессионального образования РФ

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э.Баумана

Доклад

Дипольный момент молекулы и связи

Выполнен студенткой гр. МТ10-42

Проверил Волков А.А.

г.Москва, 2001г.

Представим себе, что можно найти “центры тяжести” отрицательных и положительных частей молекулы. Тогда условно все вещества можно разбить на две группы. Одну группу составляют те, в молекулах которых оба “центра тяжести” совпадают. Такие молекулы называются неполярными. К ним относятся все ковалентные двухатомные молекулы вида А2, а также молекулы, состоящие из трех и более атомов, имеющие высокосимметричное строение, например СО2, СS2 , СCl4 , С6 H6. Во вторую группу входят все вещества, у которых “центры тяжести” зарядов в молекуле не совпадают, молекулы которых характеризуются электрической асимметрией. Эти молекулы называют полярными. К ним относятся молекулы вида АВ, в которых элементы А и В имеют различную электроотрицательность, и многие более сложные молекулы. Систему из двух разноименных электрических зарядов, равных по абсолютной величине, называют диполем.

Полярность молекулы (и полярность связи) характеризуется дипольным моментом молекулы (или связи).

Величина дипольного момента сильно влияет на свойства полярных молекул и веществ, построенных из таких молекул. Полярные молекулы поляризуются в электрическом поле, устанавливаясь по силовым линиям поля, ориентируются в электических полях, создаваемых ионами в растворах, взаимодействуют между собой, замыкая свои электрические поля. Дипольный момент образуется за счет смещения центров положительного и отрицательного зарядов на некоторую величину l, называемую длиной диполя.

Чем более полярны молекулы, чем значительнее смещены валентные электронные пары к одному из атомов, тем больше . И наоборот, если электрическая ассиметрия молекул незначительна, то величина  невлика .

Для системы из двух частиц дипольный момент  равен:  = el.

Где e- величина заряда;l- расстояние между центрами. Однако, определяя сразу величину дипольного момента, мы не знаем ни величины заряда e, локализованного в полярной молекуле, ни расстояния между центрами l.

Принимаем e равным заряду электрона(1,6021*10-19Кл) и тогда получаем приведенную длину диполя l, которая является условной величиной. В качестве единицы измерения дипольных моментов принят дебай(названный в честь голландского физика П.Дебая, разработавшего теорию полярных молекул).в системе СИ 1D=0,33*10-29Кл*м.

Дипольные моменты обычно определяют экспериментально, измеряя относительную диэлектрическую проницаемость  веществ при различных температурах. Если вещество поместить в электрическое поле, создаваемое конденсатором, то емкость последнего возрастет в  раз, т.е. =c/c0 (где c0 и с- емкость конденсатора в вакууме и в среде вещества).

Энергия электрического поля в конденсаторе U выражается соотношением:

U=1/2cV2,

где V- напряжение на обкладках конденсатора.

Из приведенного уравнения видно, что конденсатор в среде вещества имеет больший запас энергии, чем в вакууме (с>1). Это обусловлено тем, что под действием электрического поля происходит поляризация среды — ориентация диполей и деформация молекул. Первый эффект зависит от температуры, второй — не зависит.

Температурную зависимость относительно диэлектической проницаемости вещества выражает уравнение Ланжевена-Дебая:

где М- относительная молекулярная масса вещества; плотность вещества, NA- постоянная Авогадро; k- постоянная Больцмана, равная R/ NA (R- универсальная газовая постоянная);  деформационная поляризуемость молекул.

Измерив  при двух температурах, с помощью уравнения Ланжевена-Дебая можно определить и Есть и другие методы экспериментального определения 

Значения дипольных моментов для некоторых связей между разнородными атомами приведены в таблице:

Не следует путать дипольный момент связи и дипольный момент молекулы, так как в молекуле могут существовать несколько связей, дипольные моменты которых суммируются как векторы. Кроме того, на величину дипольного момента молекулы могут влиять магнитные поля орбиталей, содержащих электронную пару,- «неподеленные» электроны. Большое влияние на полярность молекулы оказывает ее симметрия.

Например, молекула метана CH4 обладает высокой степенью симметрии (центрированный тетраэдр), и поэтому векторная сумма дипольных моментов связей (=0,4D) равна нулю:

Sсв=0

Если заменить водородные атомы на атомы хлора и получить молекулу CCl4, у которой дипольный момент связи =2,05D, те в пять раз больший, чем для C-H, то результат останется прежним, так как молекула CCl4 обладает таким же строением.

рис.2. схема строения молекулы СО2

Связь С=О обладает дипольным моментом 2,7D, однако линейная молекула СО2

Является неполярной до тех пор, пока ее структура не исказится под действием других молекул(напр, Н2О).Структура линейной молекулы СО2, в которой атом углерода гибридизирован частично: 2s22p2 2s12p3 2q22p2 ,представлена на рис.2. Дипольные моменты связей, обладая различными знаками, дают общий депольный момент, равный нулю:

Sсв=0.

Таким образом, полярность молекул определяется довольно сложно, так как она учитывает все взаимодействия, которые могут возникнуть в такой сложной структуре, как молекула. Кроме того, ”полярность” молекулы не определяется лишь величиной дипольного момента, а зависит также от размеров и конфигурации молекул. Например, молекула воды более резко проявляет свои полярные свойства (образование гидратов, растворимость и т.д.), чем молекула этилового спирта, хотя дипольные моменты у них почти одинаковые (н2о=1,84D; с2н5он=1,70D).

Значения дипольных моментов для некоторых полярных молекул:

молекула молекула молекула молекула молекула
Н2 0 HF 1,82 Н2О 1,84 CO2 0 CH4;CCl4 0
О2 0 HCl 1,07 Н2S 0,93 SO2 1,61 CH3Cl 1,86
N2 0 HBr 0,79 NН3 1,46 SO3 0 CH2Cl2 1,57
Cl2 0 HI 0,38 PН3 0,55 SF6 0 CHCl3 1,15

Дипольный момент полярной молекулы может изменять свою величину под действием внешних электрических полей, а также под действием электрических полей других полярных молекул, однако при удалении внешних воздействий дипольный момент принимает прежнюю величину. Некоторые молекулы, неполярные в обычных условиях, могут получать так называемый индуцированный или “наведенный” дипольный момент, тоже исчезающий при снятии поля. Величина индуцированного момента в первом приближении пропорциональна напряженности электрического поля E: инд=0E, где- коэффициент поляризуемости, =м3,0электрическая постоянная.

Физико-химические особенности полярных молекул определяются их способностью реагировать на внешние электрические поля (электрическая поляризация) и на поля, созданные другими полярными молекулами. В частности, за счет взаимодействия с полярными молекулами воды такие полярные молекулы, как HF, HCl и др.,могут подвергаться электролитической диссоциации.

Дополнительно используемая литература:

1.Общая и неорганическая химия. Карапетьян, Дракин

2. Теоретические основы общей химии. Горбунов, Гуров, Филиппов

Дипольный момент

Электрический дипольный момент

Электрическим дипольным моментом или просто дипольным моментом системы зарядов q i называется сумма произведений величин зарядов на их радиус-векторы.

Обычно дипольный момент обозначается латинской буквой d или латинской буквой p.

Естественными единицами измерения дипольного заряда в системе СИ является кулон на метр, хотя такая единица чрезвычайно велика для практического использования, поэтому применяются другие единицы. В атомной физике обычно используется единица Дебай.

Дипольный момент имеет чрезвычайное значение в физике при изучении нейтральных систем. Действие электрического поля на нейтральную систему зарядов и электрическое поле создано нейтральной системой определяются в первую очередь дипольным моментом. Это, в частности, касается атомов и молекул.

Нейтральные системы зарядов с отличным от нуля дипольным моментом называют диполями.

1. Свойства

Всего определенный выше дипольный момент зависит от системы отсчета. Однако для нейтральной системы сумма всех зарядов равна нулю, поэтому зависимость от системы отсчета исчезает.

Самый диполь состоит из двух одинаковых по абсолютной величине, но противоположных по направлению зарядов + q и-q, которые находятся на определенном расстоянии r друг от друга. Дипольный момент тогда равна по абсолютной величине qr и направлен от положительного до отрицательного заряда.

В случае непрерывного распределения заряда с плотностью дипольный момент определяется интегрированием

2. Энергия диполя во внешнем электрическом поле

При условии, когда размеры системы зарядов гораздо меньше характерной длины, на которой меняется Электро поле, а в целом для атомов и молекул это справедливо даже тогда, когда внешнее электрическое поле — это поле электромагнитной волны в видимом диапазоне, энергия системы зарядов очень простым образом выражается через дипольный момент.

3. Момент силы, действующей на диполь в электрическом поле

Электрическое поле пытается ориентировать диполь вдоль силовых линий, создавая момент силы , Равный

Эта формула тоже справедлива при условии, когда поле в рамках системы зарядов однородно.

4. Электрическое поле, созданное диполем

Основном возникает задача определения электрического поля на расстоянии, намного превышающей расстояние между зарядами. В таком случае потенциал электрического поля определяется по формуле

,

а его напряженность

,

где — Это радиус-вектор точки, в которой определяется напряженность электрического поля.

Отсюда видно, что создано диполем электрическое поле спадает с расстоянием как 1 / r 3. Сравнению с другими типами полей, создаваемых нейтральными атомами и молекулами это падение очень медленное. Диполи взаимодействуют друг с другом даже на значительном расстоянии. Поле, созданное диполем неизотропне, и даже меняет знак в зависимости от направления.

5. Взаимодействие диполей

Энергия взаимодействия двух диполей и задается формулой

В зависимости от взаимной ориентации диполей, а такой от ориентации относительно линии, которая их соединяет, диполи могут как притягиваться, так и отталкиваться.

Осклилькы взаимодействие между диполями приходит довольно медленно, физические системы, состоящие из молекул с отличным от нуля дипольным моментом очень сильно связаны. Такой системой является вода.

Молекула воды имеет довольно значительный дипольный момент, поскольку атом кислорода в ней оттягивает на себя электроны, и становится отрицательно заряженным, оставляя положительный заряд на двух атомах водорода.

Благодаря взаимодействию между диполями вода связана гораздо сильнее, чем другие вещества из сравнительной молярной массой. Вода жидкость при комнатных температурах, в то время, когда гораздо тяжелее кислород или двуокись углерода остаются газами.

Следует отметить, что нейтральные атомы и молекулы, которые не имеют собственного дипольного момента, приобретают дипольный момент в электрическом поле. Такой дипольный момент называется приведенным.

6. Квантовая механика

Оператор диполя в квантовой механике записывается как произведение заряда на радиус-вектор. Для системы многих частиц

в общем не отличается от определения классической механики.

Средний дипольный момент электронов квантовомеханического состояния, описывается волновой функцией ψ равна

,

где интегрирование проводится по координатном пространства всех электронов.

7. Таблица дипольных моментов некоторых молекул

Рассмотрим систему произвольного числа зарядов, притом такую, что суммарный алгебраический заряд её равен нулю `sum_iq_i=0`. Пусть система состоит из `N` точечных зарядов произвольной величины `q_i(i=1,2,3,…N)` и пусть в некоторой системе координат каждый из зарядов характеризуется своим радиус-вектором `vecr_i`. По определению электрическим дипольным моментом системы называют вектор

`vecp=sum_iq_ivecr_i`. (3.1.1)

Электрические свойства диэлектриков обусловлены реакцией на внешнее поле не свободных электронов, как в металлах (в диэлектриках свободных электронов чрезвычайно мало), а так называемых связанных электронов — связанных с отдельными диполями молекул диэлектрика. Надо сразу сказать, что молекулы (атомы) разных веществ бывают двух сортов. Первые из них уже без всякого внешнего поля имеют дипольные моменты (например, молекулы воды); такие молекулы называют полярными, а вместе с ними и сами диэлектрики называют полярными. У другого сорта диэлектриков дипольный момент молекул в отсутствие внешнего поля равен нулю (например, в симметричных молекулах `»O»_2`, `»N»_2`, `»CO»_2`); такие молекулы называют неполярными; соответственно и диэлектрики, состоящие из таких молекул называют неполярными.

В отсутствие внешнего электрического поля даже вещества с полярными молекулами, как правило, никак себя электрически не проявляют. Это связано с тем, что диполи различных молекул в них направлены совершенно хаотически и, «действуя не согласованно», не создают никакого суммарного макроскопического электрического поля.

При помещении во внешнее электрическое поле (везде далее будем считать это поле однородным) вещества двух указанных сортов ведут себя в чём-то по-разному, но в чём-то и схоже. В полярных диэлектриках в расположении (ориентации) диполей появляется упорядоченность — диполи молекул стремятся выстроиться преимущественно по полю.

В неполярных диэлектриках электронные облака молекул деформируются так, что у них появляются индивидуальные дипольные моменты, которые также стремятся выстроиться преимущественно по полю — говорят, что происходит поляризация диэлектриков. В результате в обоих случаях на границах диэлектрика появляются, как и в металлах, избыточные поверхностные заряды той же полярности, что и в металлах. Наведённое ими электрическое поле `E^’` также направлено на встречу внешнему полю `E_0`, а суммарное поле `E=E_0-E^’` меньше внешнего (рис. 15). В проводниках в статических условиях это поле не просто меньше внешнего, но в точности равно нулю. В диэлектриках оно до нуля не ослабляется, оставаясь конечным и равным `E=E_0//epsilon`. Где `epsilon` — так называемая диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле.

Замечание

Простое ослабление внешнего поля в диэлектрике в `epsilon` раз относится лишь к простейшей геометрии опыта, когда внешнее электрическое поле перпендикулярно поверхности диэлектрика. Рассмотрение случаев, когда поле направлено под другими углами к поверхности, выходит за рамки настоящего Задания.

Пример 25 Решение

Рассмотрим две пары разноимённо заряженных зарядов (рис. 16). В каждой паре дипольный момент будет равен по модулю величине `ql`, и для разных пар дипольные моменты направлены в одну и ту же сторону, поэтому их сумма равна `2ql`.

Пример 26

Металлический шар радиусом `R` с зарядом `Q` находится в среде с диэлектрической проницаемостью `epsilon`. Определить суммарный заряд `Q^’` связанных зарядов на поверхности шара.

Решение

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *