쌍극자 모멘트와 굴절. 분자의 분극

쌀. 35. 전기장에서 비극성 분자의 분극

위의 극성 및 비극성 분자의 구조를 고려하여 외부에서 이러한 분자에 전기적 힘이 작용하지 않는다는 사실에서 출발했습니다. 후자의 영향은 분자의 내부 구조와 그 특성을 크게 변화시킬 수 있습니다. 특히, 외부 전기장의 영향으로 자체적으로 비극성인 분자는 일시적으로 극성으로 변합니다.

실제로 비극성 분자가 커패시터의 두 판 사이에 배치되어 있다고 상상해 봅시다(그림 35). 판의 전하는 분자 내부의 전하 분포에 영향을 미칠 것이 분명합니다. 양전하를 띤 핵은음극판에 전자를 끌어당기고 양극판에 전자를 끌어당깁니다.

결과적으로 전자는 핵을 기준으로 이동하고 그 전에 양전하와 음전하의 무게 중심이 일치하면 이제 서로 갈라지고 분자는 특정 쌍극자 모멘트를 가진 쌍극자가됩니다. 이 현상을 분자의 분극이라고 하며, 결과로 생성된 쌍극자를 유도 또는 유도라고 합니다. 외부 필드가 제거되면 쌍극자는 사라지고 분자는 다시 비극성이 됩니다. 분자와 마찬가지로 이온도 전기장에서 분극됩니다(그림 36).

쌀. 36. 전기장에서의 이온 분극

각 이온은 전하를 운반하므로 그 자체가 전기장의 원천이기도 합니다. 따라서 반대 하전 이온으로 구성된 분자에서 후자는 서로 극성을 띠게 됩니다. 양전하 이온은 음전하 이온의 전자를 끌어당기고, 음이온은 양이온 전자를 밀어냅니다(그림 37). 이온이 변형됩니다. 즉, 전자 껍질의 구조가 변경됩니다. 따라서 분자에 결합된 이온의 구조는 자유 이온의 구조와 크게 달라야 합니다.

이온의 분극 효과는 강할수록 전하가 커지고, 동일한 전하의 경우 이온 반경이 감소함에 따라 급격히 증가합니다. 반대로 이온의 변형성은 작아집니다. 일반적으로 양이온은 음이온보다 크기가 작기 때문에 한 분자 내에서 두 이온이 서로 분극화되면 주로 음이온이 변형됩니다(그림 38).

강한 분극 효과는 전자가 전혀 없고 반경이 매우 작은 핵(양성자)인 양이온 수소 이온에 의해 발휘됩니다. 전자 껍질이 없기 때문에 양성자는 음이온으로부터 반발을 경험하지 않으며 매우 가까운 거리에서 접근할 수 있습니다.

쌀. 37. 이온의 상호 분극화 방식

이 접근법으로 인한 음이온의 변형은 말하자면 음이온의 전자 껍질에 양성자가 도입되는 것, 즉 공유 결합이 형성되는 것으로 이어집니다.

이온 전자 껍질의 변형 현상에 대한 연구를 통해 화합물의 구조에 더 깊이 침투하고 그 물리적, 화학적 특성을 설명할 수 있게 되었습니다. 예를 들어, 음이온의 불균일한 변형은 HCl, HBr 및 HJ와 같이 유사하게 구성된 분자의 쌍극자 모멘트의 차이, 일부 산 및 염의 불안정성 및 기타 여러 화학 현상을 설명합니다. 이온의 변형과 해당 염의 색상 사이에도 밀접한 연관성이 확립되었습니다.

당신은 분자와 이온의 극성화라는 주제에 관한 기사를 읽고 있습니다.

쌀. 35. 전기장에서 비극성 분자의 분극

쌀. 36. 전기장에서의 이온 분극

쌀. 37. 이온의 상호 분극화 방식

이 접근법으로 인한 음이온의 변형은 말하자면 음이온의 전자 껍질에 양성자가 도입되는 것, 즉 공유 결합이 형성되는 것으로 이어집니다.

당신은 분자와 이온의 극성화라는 주제에 관한 기사를 읽고 있습니다.

분극성원자, 이온 및 분자 - 이러한 입자가 전기를 얻는 능력. 쌍극자 모멘트 피 전기에서 필드 이자형 . 전기에서 필드에서 원자(분자, 이온)를 구성하는 전하는 서로 상대적으로 변위됩니다. 입자는 유도자로 나타납니다. 필드가 꺼지면 사라지는 쌍극자 모멘트. 일반적으로 극성 개념은 영구 쌍극자 모멘트를 갖는 입자(예: 극성 분자)에는 적용되지 않습니다. 상대적으로 약한 전기에 필드

계수라고도 함 P., 그는 그 수량입니다. 측정(부피의 차원을 가짐). 원자 시스템의 경우, 예: 특정 분자의 P.는 이방성일 수 있습니다. 이 경우 종속성은 더 복잡합니다.

랭크 2의 대칭 텐서는 어디에 있습니까? 나,

강한 전기에 종속성 필드 체육)은 더 이상 선형적이지 않습니다.

격리된 경우 나입자(예: 희박 가스 분자)의 경우 전계 강도(입자 위치의 전계) 값은 외부 강도와 일치합니다. 필드(field) 액체나 결정 입자의 경우, 해당 입자를 둘러싼 다른 입자에 의해 생성된 필드(로컬 필드)가 추가됩니다.

필드가 켜지는 순간 피 즉시 나타나지는 않습니다. 정착 시간 피 각 유형의 입자는 물리적 특성에 따라 다릅니다. 자연과 휴식 시간이 특징

나이브. P.의 개념은 유전체 물리학에 적용되었습니다. 여기서는 환경을 정의합니다. 아르 자형, 유전체 유전 감수성 투과성가장 간단한 경우

(금액은 모두에게 적용됩니다. N단위 부피당 입자). P.의 개념은 분자와 물리학에서 사용됩니다. 화학. 측정 결과 피및 광학 매체의 특성에는 항상 구성 입자의 특성에 대한 정보가 포함됩니다.

정적의 경우 필드 이자형 정적 답변. P값은 입자의 중요한 개별 특성 중 하나입니다. AC에서 필드 이자형 (예를 들어 가장 간단한 경우 조화로운 종속성은 이자형 시간에 따라) P.는 필드의 빈도에 따라 달라지며 이를 복소수 형태로 표현하는 것이 편리합니다.

그러한 분야에서 P.의 행동의 구체적인 성격은 주로 충분히 낮은 주파수와 짧은 순간에서의 이완 시간에 달려 있습니다. 피 현장 변화와 거의 동떨어져 구축된다. 매우 높거나 큰 토크에서 피 전혀 발생하지 않을 수도 있습니다. 입자는 필드의 존재를 "느끼지 않습니다". P.는 없습니다. 중간의 경우(특히) 분산 및 흡수 현상이 관찰되고 그 의존성이 명확하게 표현되며 때로는 매우 복잡합니다.

다음 유형의 P.가 구별됩니다.

전자 P.는 현장의 변위로 인해 발생합니다. 이자형 원자핵에 대한 전자 껍질. 원자와 이온의 양은 부피에 비례합니다 그리고 s. 전자 P.는 모든 원자와 원자 시스템에서 발생하지만 어떤 경우에는 크기가 작기 때문에 다른 더 강한 유형의 P에 의해 가려질 수 있습니다.

이온 결정의 이온 P.는 장의 탄성 변위로 인해 발생합니다. 이자형반대 방향의 이온이 평형 위치에서 서로 반대 방향으로 이동합니다. NaCl과 같은 이온 결정의 가장 간단한 경우에,

이온의 질량은 어디에 있고, 전하가 있고, 그 자체입니다. 결정 이온의 탄성 진동 주파수(광학 가지), - 외부 주파수. 필드(정적 필드 = 0의 경우). s(이완 주파수 = 스펙트럼의 IR 영역에 있음).

분자의 원자 변위는 장에서의 변위로 인해 발생합니다. 이자형분자 내 다양한 유형의 원자(분자 내 전자의 비대칭 분포로 인해 발생) 이러한 유형의 P.는 일반적으로 구성됩니다. 때때로 원자 P.는 다이아몬드 (Ge, Si)와 같은 결정에서 공유 결합을 제공하는 전자의 변위와 관련하여 P라고도합니다. 이러한 모든 유형의 P.의 온도 의존성은 특히 약합니다 (증가함에 따라 티 P.는 다소 감소합니다).

분자의 구조를 결정하려면 분자의 기본적인 전기적, 광학적 특성을 알아야 합니다. 가장 중요한 특성은 분극성과 쌍극자 모멘트입니다. 분자의 쌍극자 모멘트는 구조와 직접적으로 관련되어 있으며 극성 분자의 상호 작용뿐만 아니라 외부 전기장에서의 방향을 결정하는 중요한 물리적 특성입니다. 물질의 유전 특성 .

분자 에너지의 가장 중요한 구성 요소는 전자이며, 이는 핵간 거리의 함수이며 핵의 이동과 관련하여 위치 에너지의 역할을 하며 이원자 분자의 경우 전위 곡선에 반영됩니다(그림 .4.7).

결합 에너지는 포텐셜 우물의 깊이로부터 추정할 수 있습니다. (디)위치 에너지 곡선에서 E(r).

물 분자에서 산소 원자는 서로 직각(90°)에 위치한 두 개의 궤도를 차지하는 두 개의 짝을 이루지 않은 p-전자를 가지고 있습니다. 수소 원자는 하나의 s 전자를 가지고 있습니다. 물 분자는 두 개의 p 전자 오비탈과 두 개의 s 오비탈이 겹쳐서 형성됩니다. 더욱이 형성된 두 공유 결합은 90°의 각도를 만들어야 합니다(그림 4.8).

실제로 분자 결합 사이의 각도는 다음과 같습니다.

H 2 O – 104.5 0, H 2 S – 92 0, H 2 Se – 91 0.

쌀. 4.8. 물 분자의 화학 결합 형성 계획

결합 사이의 각도가 90°에서 벗어나는 것은 결합의 극성으로 설명할 수 있습니다. 그, 즉. 결합을 형성하는 전자쌍은 산소 원자쪽으로 끌려갑니다. 결과적으로 수소 원자는 어느 정도 양전하를 띠게 됩니다. 양전하의 반발은 결합 사이의 각도를 증가시킵니다. 연결 H~S극성이 적으므로 편차가 적습니다. 물과 황화수소 분자의 구조에 대한 이러한 설명은 시각적이지만 다소 단순화되었습니다.

화학 결합의 극성.모든 분자는 양전하를 띤 원자핵과 음전하를 띤 전자 구름의 집합체입니다. 분자 내 전자 구름의 분포가 핵의 양전하와 전자 구름의 음전하의 전기 중심이 서로 상대적으로 변위되는 경우, 분자 나타냅니다 쌍극자 그리고 호출된다 극선.

극성의 척도는 전하의 곱과 동일한 쌍극자 모멘트입니다. 큐먼 곳으로 엘요금 사이

– 음전하의 중심에서 양전하의 중심을 향하는 화살표로 표시되는 벡터량.

결론: 분자 내 전자 밀도의 비대칭으로 인해, 쌍극자 모멘트. 전자 밀도 분포의 비대칭성은 분자의 화학적 성질과 구조로 인해 발생합니다., 즉. 어떤 원자로 구성되어 있는지, 화학 결합의 특성은 무엇인지, 결합의 길이와 방향은 무엇인지, 궤도의 혼성화가 있는지, 고독한 전자쌍이 있는지.

그림에서. 그림 4.9는 이원자 분자에서 쌍극자 모멘트의 발생을 보여줍니다. AB:

쌀. 4.9. 이원자 분자의 쌍극자 모멘트

쌍극자 모멘트를 측정하면 분자의 평형 구성의 대칭성에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

분자의 쌍극자 모멘트를 계산할 때 개별 결합의 쌍극자 모멘트가 자주 사용됩니다.

덧셈두 개의 벡터가 생성될 수 있습니다. 그래픽적으로 평행사변형 법칙에 따라

또는 분석적으로 공식 (4.2)에 따라 코사인 정리를 표현합니다.

, (4.2)

여기서 j는 두 극성 화학 결합 사이의 각도입니다.

1과 2 – 쌍극자 모멘트.

벡터 추가의 결과는 분자 내 극성 결합 배열의 대칭성에 따라 달라집니다. 이 경우 개별 채권의 쌍극자 모멘트에 대한 부분적, 심지어 완전한 상호 보상이 발생할 수 있습니다. 대칭적으로 구성된 분자에는 쌍극자 모멘트가 없지만 개별 결합은 극성입니다.

예를 들어 분자 CO 2, CS 2, CCl 4.

그래서 비대칭적인 전하 분포를 갖는 분자와 결합을 '전하 분포'라고 합니다. 극선 . 극성 분자는 0(10)과 다른 쌍극자 모멘트를 갖습니다.

벡터 방식을 사용하여 복잡한 유기 분자의 쌍극자 모멘트를 계산할 때 다음을 사용하는 것이 바람직합니다. 개인 연결의 순간 , 그리고 소위 그룹 순간 , 페닐(C 6 H 5) 또는 메틸 라디칼(CH 3)과 관련된 특정 원자 그룹(치환체) X를 포함하는 분자의 쌍극자 모멘트 벡터의 값과 방향을 특성화합니다.

그룹 쌍극자 모멘트 C 6 H 5 X (또는 CH 3 X) 분자의 쌍극자의 양극이 X 치환기 (전자 기증 치환기 - CH 3, CH 3 O, NH 2 등)에 있으면 더하기 기호가 지정됩니다. ).

반대로, 음전하 중심인 그룹은 그룹 모멘트(전자를 끄는 치환기 –Cl, Br, NO 2 등)의 음수 값을 특징으로 합니다.

두 개의 치환기 X 1 및 X 2를 포함하는 분자의 쌍극자 모멘트는 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.

여기서: m 1, m 2 – 치환기의 그룹 모멘트;

q는 치환체의 그룹 모멘트 벡터와 이웃 탄소 원자와의 결합 방향 사이의 각도입니다.

j는 C-X 1 및 C-X 2 치환기의 결합 방향 사이의 각도이다.

커패시터, 극성 분자 또는 이온에 의해 생성된 전기장에 물질을 배치해 보겠습니다. 이 경우 분자의 음전하와 양전하의 변위는 자기장이 없을 때 무게 중심을 기준으로 발생합니다. 전기장의 영향으로 원자, 분자, 이온이 겪는 변화를 분극( 피).

다음이 있습니다:

전자 분극 – Pel;

원자 분극 - P ...에서;

방향 편광 – P 또는.

더욱이 전체 편광 P는 모든 유형의 편광의 합으로 구해집니다.

P = Pel + P at + P 또는 (4.3)

전기장이 없으면 양전하와 음전하의 중심이 일치하고 쌍극자 모멘트 = 0입니다(그림 4 참조).

쌀. 4.10. 일정한 전기장이 행동에 미치는 영향

비극성 분자

전기장의 영향으로 전하는 서로에 대해 거리만큼 이동합니다. 엘, 즉. 양극화 현상이 발생합니다.

입자에서 발생한다 유도된 (혹은 유도된) 쌍극자 모멘트

Ind = q × , (4.4)

이는 작동 전기장의 강도에 따라 달라집니다. 이자형.

이러한 의존성은 일련의 권력 확장으로 표현될 수 있습니다.

Ind = aE + bE 2 + + . . .

소규모의 경우 이자형극성 분자나 이온에 의해 생성된 전기장에 대해 발생하는 , 우리는 첫 번째 항, 즉

Ind = aE(4.5)

비례 요인 ㅏ~라고 불리는 분극성. 이는 분자의 분극화 능력을 정량적으로 특성화하고 전계 강도 E = 1V에서 생성되는 쌍극자 모멘트를 보여줍니다.

a가 클수록 분자는 더 쉽게 분극화됩니다.

분극성은 CGS 시스템에서 부피의 차원을 갖습니다.

; [a] = cm 3 또는 m 3

분극성 값분자는 1A 3 (1A 3 = 10 -30 m 3 = 10 -24 cm 3) 정도이며 전자 구름의 부피를 특성화합니다., 즉. 분극성 크기가 거의 같다 분자의 부피 . 이것은 분극성의 물리적 의미 . 그러나 SI 시스템에서는 이러한 명확성이 ㅏ때문에 손실됩니다 SI 시스템 차원에서

[a] =

입자의 변형과 관련된 분극성을 변형이라고 합니다. 이는 원래 위치를 기준으로 전자 구름과 핵의 변위를 특성화합니다.

변형 분극성은 전자 및 원자 구성 요소로 구성됩니다.

a def = a el + a at (4.6)

핵은 전자보다 이동성이 떨어집니다. 따라서 원자 분극성은 종종 무시됩니다. 데프 » 엘.

분자의 경우 변형 분극도는 방향에 따라 다를 수 있습니다. 속성이 나타납니다 이방성 분극성. 게다가 가장 높은 분극도는 화학 결합 방향에서 관찰됩니다.

이후 비극성 전기장의 영향을받는 분자, 전자 구름과 핵의 변위가 발생하면 전체 분극은 전자 및 원자 분극으로 구성됩니다. 변형 분극을 나타냅니다. P def.

P = P def = (4.7)에서 Pel + P

물질 1몰당 분극화라고 합니다. 어금니 분극 . 통계 계산에 따르면 물질의 변형 분극

P def = 4/3 p N A a def, (4.8)

여기서 NA는 아보가드로 수(6.02×10 23)입니다.

이 공식에서 알 수 있듯이, 어금니 분극 물질 1몰의 고유 부피와 같습니다. 치수: [P] = m 3 /mol.

극성 분자 그룹에는 H 2 O, NH 3, 알코올, 케톤, 유기산, 할로겐 유도체, 방향족 화합물 등이 포함됩니다.

분자는 중성, 양전하 및 음전하 입자로 구성됩니다. 분자에는 대칭 전하 분포(H 2, CH 4, C 6 H 6 등)와 비대칭(HX, CH 3 X, C 6 H 5 X, X는 할로겐)의 두 가지 유형이 있습니다. 이들은 비극성 및 극성 분자입니다. 극성 분자는 쌍극자 또는 쌍극자라고도 합니다.

극선분자에는 영구적인 쌍극자 모멘트가 있습니다. 0 . 전기장에서는 변형 분극도 경험하여 쌍극자 모멘트가 증가합니다. 전기장에서 극성 분자의 쌍극자 모멘트는 두 가지 구성 요소, 즉 자체 쌍극자 모멘트로 구성됩니다. 0 유도 (유도) 공업

0 + ind (4.9)

외부 필드가 없는 경우(E = 0) 극성 분자의 쌍극자 모멘트는 분자의 열 운동으로 인해 무작위로 방향을 잡습니다.

극성 분자는 서로 다른 전하의 정전기적 인력으로 인해 서로 상대적인 방향을 갖습니다.

열 운동은 자기장 선을 따라 극성 분자의 방향을 방해합니다. 따라서 온도가 증가하면 배향 분극이 감소합니다.

유도 쌍극자 모멘트가 발생하면 변형 분극이 발생합니다. P def. 따라서 일정한 전기장에서 극성 분자는 방향성 분극과 변형 분극을 모두 받습니다.

이 경우 전체 몰 분극은

P = P 또는 + P def = P 또는 + P el + P at (4.10)

을 위한 극성 분자 Debye는 다음 관계식 P =를 도출했습니다. , (4.11)

여기서 0은 극성 분자의 고유 쌍극자 모멘트입니다.

k – 볼츠만 상수는 1.38×10 -23 J/K와 같습니다.

T는 켈빈 단위의 시스템 절대 온도입니다.

a는 분자의 변형 분극성이다.

을 위한 비극성 분자 이미 방정식을 적어놨어

P = 4/3 pN A

공식 (4.8), (4.10)을 비교하면 다음을 얻습니다.

P def = 4/3 pN A a

P 또는 = 4/3 pN A (4.12)

식 (4.12)이 호출됩니다. 디바이 방정식 .

방향 및 변형 분극에 대한 표현은 쌍극자가 서로 상호 작용하지 않는 경우에만 유효하다는 점에 유의해야 합니다. 이는 분자 사이의 거리가 클 때 가능합니다. 가스 또는 비극성 용매에 있는 극성 물질의 묽은 용액에서.

분자의 구조를 결정하려면 분자의 기본적인 전기적, 광학적 특성을 알아야 합니다. 이러한 전기적 특성은 분극성 ㅏ그리고 쌍극자 모멘트 중. 이러한 분자 특성을 연구하면 전자 밀도와 전자 이동도의 분포에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있습니다.

분극성 ㅏ그리고 쌍극자 모멘트 중유전 상수 데이터를 기반으로 분자를 쉽게 계산할 수 있습니다. 이자형및 굴절률 N물질의 양극화와 관련된 물질.

유전 상수 이자형액체 분자의 전기적 특성을 반영하며 커패시터의 커패시턴스 비율과 같습니다.

여기서 C 0는 에어 커패시터의 용량입니다.

C는 시험물질을 채운 커패시터의 용량이다.

이 값은 전계 강도가 몇 배나 감소하는지를 나타냅니다. 이자형진공(E 0)에 비해 물질의 분극으로 인해 발생합니다.

분자의 광학적 특성은 굴절률 값에 따라 결정됩니다.

굴절률은 입사 방사선의 파장과 온도에 따라 달라집니다. Maxwell이 발견한 물질의 굴절률과 유전 상수 사이에는 관계가 있습니다.

양극화가 심할수록 이자형. 진공의 유전 상수는 1로 간주될 수 있습니다(e 0 = 1).

쿨롱의 법칙 F =에서 모든 매체의 전하 간 상호 작용의 힘은 다음과 같습니다. 이자형진공에 비해 시간이 감소합니다. 이러한 감소는 물질 내의 분극으로 인해 발생합니다. 이자형분극성과 관련이 있어야 함 ㅏ그리고 양극화 피.

이들 양 사이의 이러한 관계는 비극성 유전체에 대해 Clausius와 Mossoti에 의해 확립되었습니다.

, (4.13)

여기서 N A는 아보가드로 수입니다.

M은 물질의 몰 질량입니다.

– 물질의 밀도.

측정하여 아르 자형그리고 이자형, 비극성 분자의 변형 분극을 계산하는 것이 가능합니다. 앎 아르 자형그리고 이자형다른 온도에서는 분극이 온도에 따라 달라지는지 여부를 확인할 수 있습니다.

극성 분자로 구성된 물질의 경우 고유 쌍극자 모멘트를 고려한 Debye-Langevin 방정식(1912)이 도출되었습니다. 0 분자. Debye-Langevin 방정식은 극성 가스에 대해 유도되었습니다.