Електричні властивості молекул. Поведінка речовини в зовнішньому електричному полі
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
. При переході від нітрометану до нітро-бензолу дипольний момент зростає (індукційний і спряжені ефекти однаково напрямлені). При переході від хлорметана до хлор-бензолу дипольний момент хлорбензола менший, ніж у хлорметана. Неподілені електронні пари Сl вступають у спряження з ?-звязками, і електронна густина зменшується в напрямку бензольного кільця.
Дипольний момент молекул залежить від геометричної ізомерії: цис- і транс-ізомерія.
Молекули в транс-формі завжди мають центр симетрії, тому їх дипольний момент дорівнює 0.
Існування поворотних ізомерів молекул також впливає на їх дипольний момент. Наприклад, у молекулі дихлоретану СН2СlCH2Cl. Якщо вважати, що звязок СН не вносить значного вкладу в дипольний момент молекули, то її дипольний момент можна визначити як суму дипольних моментів звязків ССl. Звязок дипольного моменту молекули залежить від кута повороту груп СН2Сl одна відносно іншої
, ,
? кут повороту.
?цис = 3,4D; ?транс = 0.
На величину дипольного моменту дихлоретану впливає температура. Із зростанням температури кількість цис-ізомерів зростає, так як кількість молекул, які можуть перейти через потенціальний барєр, зростає.
Зрозуміло, що у випадку дихлоретану завжди є суміш цис- і транс-ізомерів. Тоді
?2 = с1?12 + с2?22,
c1 концентрація транс-форми, с2 концентрація цис-форми.
Якщо ?1 = 0, тоді
?2 = с2?22; .
= K(T); Kpiв = ,
K стала Больцмана; ?Е величина потенціального барєру і
?Е = KTlnKрів.
По температурній залежності дипольного моменту газу можна знайти концентрації ізомерів, через них знайти Kрів, а черех Kрів величину потенціального барєру, що відділяє два ізомери.
Вивчаючи дипольні моменти молекул, які здатні до поворотної ізомерії, можна одержати відомості про поворотну ізомерію. З дипольних моментів можна судити про геометрію молекул і їх симетрію. Але вирішити однозначно про геометрію молекули, виходячи з дипольних моментів, неможливо, можна лише припустити ту чи іншу форму молекули.
Поляризуємість молекул. Тензор поляризуємості. Якщо речовину помістити в електричне поле (Е), то заряджені частки молекули (електрони і ядра) зміщуються з своїх положень у напрямку силових ліній прикладеного поля. В молекулах виникає індукований дипольний момент, величина якого пропорційна напрузі прикладеного поля: ?2 = ? Е, ? коефіцієнт пропорційності, який характеризує поляризуємість молекули.
тобто поляризуємість молекули вимірюється в одиницях обєму.
? показує наскільки сильно деформується електронна оболонка молекули під дією зовнішнього електричного поля. Різні молекули при одному і тому ж значенні Е будуть мати різні ?.
? буде скалярною величиною лише в тому випадку, якщо під дією сил електричного поля зміщення електронної густини молекули у всіх трьох взаємно перпендикулярних напрямках буде однаковим.
В загальному випадку зміщення електронної густини у трьох напрямках, як правило, різне: найбільше зміщення електронної густини спостерігається у тому напрямку, який співпадає з напрямком прикладного поля. У загальному випадку:
де x, k, y i z цілі величини.
?ik може бути записане у вигляді тензора
,
?хх зміщення електронної оболонки вздовж осі х, якщо напруга прикладена по осі х;
?ху зміщення по осі х, якщо поле прикладене по осі у;
?хz зміщення по осі х, якщо поле прикладене по осі z.
Найбільшу величину мають діагональні складові тензора. Крім того, доведено, що компоненти тензора, які симетрично розташовані відносно діагоналі, рівні між собою: ?ху = ?ух; ?хz = ?zх; ?уz = ?zу симетричний тензор. Такий тензор можна звести до діагонального вигляду
.
Якщо всі три діагональні складові тензора не рівні один одному, то геометричне зображення тензора поляризуємості являє собою 3х-осьовий еліпсоїд. Це випадок анізотропної молекули, яка відноситься до груп низкьої симетрії.
Якщо два з трьох діагональних складових рівні, то геометричним образом такого тензора буде двохосьовий еліпсоїд обертання. Такі молекули відносяться до груп середньої симетрії.
Якщо всі три складові діагонального тензора рівні між собою, тоді еліпсоїд обертання переходить у кулю, і поляризуємість стає скалярною величиною. Такі молекули відносяться до груп вищої симетрії.
Поведінка речовин в електричному полі. Розглянемо явища, які виникають у речовині при розміщенні його в зовнішньому електричному полі. Поля можна розділити на електростатичне, для якого напруга стала, і змінне, для якого напруга з часом змінюється за певним законом. Поведінка речовин у постійному і змінному полях відрізняється.
Розглянемо поведінку речовин у постійному полі.
Якщо речовину помістити в зовнішньому полі, то в речовині виникає явище поляризації заряджені частинки ядра і електрони кожної молекули зміщуються з своїх рівноважних положень в напрямку силових ліній поля. В молекулі виникає індукований полем дипольний момент, який буде пропорційний напрузі прикладеного поля: ?інд = ? Е, ? називається поляризуємістю, вимірюваною в одиницях обєму (см3):
. (1)
Якщо одиниця обєму містить N атомів (число Лошмідта), то можна ввести поняття поляризації речовини:
(2)
(добуток дипольного моменту окремої молекули на число молекул).
Підставимо у (2) замість ?? його значення, тоді