Том 2 (1134464), страница 58
Текст из файла (страница 58)
б ч 7! ю б о о а а о о О 0 О О 0 О О а а О 0 О ! 12 )О )б 32 42 39 20 Т О О О 0 О О О О О О О О О О а а З )и 17 Ю Яа 86 !ог 99 ба 2З б а и о О о о о а о о а а а 0 7 зо 47 42 зг )а н«гя н! 4о га )о о о о а О О О О 0 0 а О о о 5 34 50 Яб 34 40 67 85 84 42 и) б) зо 9 а а 0 0 0 0 0 О а О 0 0 О 6 26 30 !Т !7 26 39 40 ба 78 87 б! 34 4 О о о а о о о и о а ! ! а о 8 а о ь )4 гб ю ча )04 79 за 5 а о р о о о о 9 ю ю )б 7 а о а о о о о и ю зи бэ 42 2! 2 а о о о о о в зз 58 62 42 2! 2 о о о о о о о о ю !в )6 7 а 0 а О а б )4 ла 57 90 104 Т! ЭО 5 а О и и а О О О О О ! 1 а 0 зо ю ю 26 зи Яо бо 78 в б! зл 4 а о о о о о о и о п о и б 26 4* з4 Яа 47 яз 84 бз ю яа зо 9 о а а о - о о о о о о о а 5 зя 30 42 32 )02)45 )24 8! Яа 20 20 о 0 О 0 О 0 а О О 0 О и 0 0 7 ЗО 47 17 !6 -40 Вб 707 99 60 2Э б о 0 О О О 0 О О О о а 0 о и о 5 16 12 !о !б Ю 42 39 го Т О О а О 0 О о а О О О а а 0 0 0 0 1 10 7 6 9 1! !2 . 6 а О О О 0 О О о О 0 0 О О О О О О О 0 23 Электрические и магнитные свойства молекул Изучаемые вопросы После тщателыюго изучения этой главы вы сможете: 1.
Определить дипольнсчй момент молекулы (стр. 286) н поляризацию диэлектрика (стр. 289). 2. Связать электрическую восприимчивость с относительной диэлектрической проницаемостью образца !уравнение (23.1,5)), 3. Определить молекулярную поляризуемость (уравнение (23.1.10) ) . 4. Связать постоянный дипольный момент с относительной проницаемостью при помощи уравнена» Дедал (уравнение (23.1.11)). 5. Связать показатель преломления образца с его поляризуемостью и определить рефракцию (уравнение (23.1.16) ).
6. Объяснить основу оптической активности (стр. 299). 7. Определить причину и указать величину диполь-дипольного взаимодействия молекул [уравнение (23.2Л)) и взаимодействия диполь — индуцированный диполь 1уравнение (23.2.2.)). 8. Объяснить возникновение диспврсионных сил и использовать формулу Лондона дчя определения их интенсивности (уравнение (23.2,3) ]. 9.
Описать мгжмолгкулярный потенциал Леннарда-Джонса (уравнение (23.2,5)). 10. Определить и рассчитать постоянную ййаделунга !уравнение (23.3.3)) и использовать ее для расчета внутренней энергии ионных решеток. !1. Описать образование молекулярного пучка (стр. 310).
12. Определить ударный параметр и дифференциальное сечение рассеяния (стр, 311). 13, Объяснить термины ореольное н радужное рассеяние и описать, каким образом из опытов с молекулярными пучками получают информацию о межмолекулярных силах (стр. 313). 14. Описать связь между межмолекулярнь!ми силами н вириальными коэффициентами реальных газов (стр.
314). 15, Определить функции радиального распределения молекул в жидкостях и описать нх связь с термодинамнчсскими свойствамн (стр. 317). 16. Объяснить температурную зависимость вязкости жидкости (уравнение (23,3.10) ). Часть а Структура Рнс. 2З.1. Услоаный выбор нанрааленнн диполь. ното момента. 17.
Определить ,магнитную восприимчивость и намагничиваемогть вешсства (уравнения (23,4.1) и (23.4 4)1. 18. Указать прпчину ппрамагнетизмп молекул с песпарениыми спинами (стр. 323). Введение Б данной главе мы рассмотрим некоторые электрические и магнитпыс свойства молекул н интерпретируем их через электронную структуру молекул. Этими свойствамн являются дипольный момент, полярнзуемость и магнитная восприимчивость. Поляриэуемость связана с показателем преломления, оптической активностью и мсжмолекулярными силами; мы увидим, как эти свойства мокнут быть свнзапы с молекулярнои структурой. 23,1, Электрические свойства Мы рассмотрим как постоянный электрический дипольный момент полярной молекулы, так и дипольиый момент, индупцруемый в молекуле, когда опа находится в электрическом поле.
Приложенное поле искажает электронную структуру и обусловливает возникновение дино ььпого момента, вели1нна которого зависит от напряженности поля и «отзывчивости» молекулы: эта «отзывчивость» представляет собой лоллризуемосго молекулы. Постоянный дипольиый момент„ Если два заряда д и — д разделены расстоянием )т, то опн.составляют диполь с величиной дИ. Кроме величины диполь имеет направление, и принято считать, что он направлен от отрицательно заряженного конца к положительному (рис. 23.1). Дипольныс моменты обычно выражаьотся в дебалх (О): 10=3,336 10 аь Кл м (эта единица названа в честь одного нз пионеров изучения полярных молекул). Если заряд и имеет величину заряда электрона и расстояние равно 100 пм (О,! нм„1 Л), то величина диполя будет )ь=-(1,6022 ° 10 м Кл) Х(1,0000 10 'е и).= — 1,6022. 10 " Кл.ч ж 4,И).
Величины молекулярных дипольных моментов приблизительно такого порядка (но обычно нссколько меныпе). 2В7 28. Электрические и магнитные сеойгтеи молекул Рис. 23.2. Сольяятацпя иона поияряыы ристяорнтел*н. Дипольпые моменты используются для того, чтобыдать информацию о структуре молекул, а также чтобы проверить вычисленные волновыс функции. Однако на практи- ке они важны для нахождеяпя подходящего растворителя для данного твердого вещества, так как способность растворителя разрушать ионные кристаллы связана с его способностью сольватнровать ионы н уменьшать электростатическое взаимодействие, удерживающее ионы в кристалле.
В этом процессе полярные молекулы играют двойственную роль. Одни конец их диполя может электростатически притягиваться к иону противоположного знака, и зто понижает потенциальную энергию иона в растворе (рис. 23.2), Их роль состоит в том, чтобы уменьшить силу кулоповского нзаимодсйстппя между попами в растворе, Это получается следующим образом, Когда два иона нахочятся па расстоянии г, потенциальная энергия их взаимодействия пропорциональна 1/4леог, если раздечяющсй средой является вакуум; однако, когда они помещаются в растворитсль, энергия умсиьшается до 1~4легК,г, где К, — относительная диэлектрическая пронииаелюсть (илп диэлектрическая постоянная). Величина К, частично определяется полярной природой молекул растворителя и может оказывать значительное влияние иа силу кулоновского взаимодействия.
Например, вода имеет К,= 76; это значит, что кулоновскпй потенциал уменьшается почти на два порядка вслиойиы, Роль проницаемости растворителя в определении термодинамических свойств ионов в растворе рассматривалась в гл 11 (т.1). Определение дипвльных моментов. Дипольные моменты мсокио измерить несколькими способами.
При исследовании вращательных спектров молекулы в газовой фазе найдено, что, если па образец действует сильное электрическое поле, линии в спектре сдвигаются. Величина этого эффекта Игарка зависит от дипольного момента молекулы, и поэтому вращательные спектры могут быть использованы для по ~учения очень точных данных. Когда молекулу нельзя исследовать вращательной спсктроскопией (если опа очень сложна, пелетуча или нестабильна в газовой фазе), измерение обычно основано на определсини относительной диэлектрической проницаемости К, образца в массе. В следующих параграфах показано, как можно измерить К и как ее связать, с дипольиым моментом.
гвв Честь 2. Ст кауро С, =аА/(ай/ео) =е,А/й, но при наличии диэлектрика емкость равна С=аАфзг1/е К„) =е АК,/с(. Таким образом, измеряя относительнуго диэлектрическую проницаемость, мы измеряем емкость в отсутствие и в присутсгвии образца: С/Се — Кс (23.1.1) Емкость легко азмервть с помощью одпого нз стандартных экспериментов (например, используя мост переменного тока); для этого имеются заводские приборы. Следующий этап — установление связи между измеренной ве. личиной К„и молекулярным свойством, Это достигается интер- Рпс. 23.3. Поля (о) я еазиостп потенциалов е конденсаторе. а =ооуеп лэ=ооуе к Нам необходимо дать определение емкости конденсатора.
Рассмотрим вначале две плоскости, параллельные пластинам (рпс. 2З.З). Заряды на пластинах равны а н — а, а их .площади равны А, что можно выразить как «-аА, где а — поверхностная плотность заряда (заряд иа единицу площади). Если имеются заряды, то между пластинами устанавливается разность потенциалов ЬФ. Емкость этого устройства олределяется как С=д,гд Ь. Следовательно, в данном случае С=аА/6Ф. Разность потенциалов можно записать через плотность заряда а н расстояние между пластпнамп д.
Прежде всего учтем стандартный результат элементарной электростатики: электрическое поле в области мсжду пластинами равно о/ео, если среда является вакуумом, но равно о/еодо если она диэлектрик с относительной диэлектрической проннцаемостью К,. Наличие поля с напряженностью Е указывает па существоваггпс разности потенциалов Ед между двумя пластггнами (например, при разности потенциалов 0,1 В между пластинами на расстоянии 1 см устанавливается электрическое поле напряженностью 10 В/м), н поэтому в отсутствие диэлектрической среды емкость равна 2Д Злектраеесяиа и маеяитние свойства молекул Ряс.
23.4. Поляризация молекул, составляю- язях среду, и соответствуяиляй диполь. претацией поляризации диэлектрика через средний дипольный момент на ял рл единит4д объема. Смысл этой интеР- претации виден при рассмотрении рис. г„,",„, — „,— к 23.4, который показывает, каким об- разом отдельные диполи среды выстраиваются в приложенном поле и каким образом' на поверхности диэлектрика возникает заряд: этот заряд — поляризаций среды— противоположен заряду самих пластин и обусловливает понижение электрического поля от о/зе до о/яеК.. Два заряда на противоположных гранях диэлектрика образуют диполь, и это является основой связи между поляризацией и средним дипольным моментом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
