Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия (1134491), страница 19
Текст из файла (страница 19)
е. напряженности электрического поля. В СИ поляризуемость целесообразно определять с помощью соотношения (5.1) (Р,)нала = 4пзоо4з . где ео — электрическая постоянная, а коэффициент пропорциональности а называется поляризуемостью частицы и имеет размерность 92 объема. Естественно, что поляризуемость свойственна и полярным молекулам, и в этом случае наведенный и постоянный днпольиые моменты суммируются. Поскольку прн действии электрического поля смещение испытывают не только электроны, но и ядра, то в молекулах возможно некоторое искажение взаимного расположения ядер. Связанная с этим искажением часть поляризуемости называется атомной поляризуемостью, а остальная, главная часть называется электронной поляризуемостью.
В дальнейшем речь будет идти только об этой составляющей полной поляризуемости частицы. Поляризуемость а имеет порядок объема одной молекулы, т. е. 10 — 90 мэ. Например, поляризуемость атома гелия 0,20.10 м", молекулы Нэ 0,80.10 эо, молекулы СН12,70 !Π— э', т.е.
поляризуемость одной связи С вЂ” Н в среднем составляет 0,68.10 ээ мэ. Поляризуемость резко отличается для о- и я-связей. Электронное облако о-электронов значительно больше экранировано от действия внешнего электрического поля, чем находящееся вне линии, соединяющей ядра, облако и-электронов. Поэтому на и-электроны электрическое поле действует значительно сильнее. Чем большее число электронов принимает участие в формировании и-электронного облака, тем больший объем оно занимает и тем легче происходит поляризация.
Это можно продемонстрировать такими примерами. Известна, что поляризуемость простых связей приблизительно постоянна, т. е. не зависит от того, в какой молекуле находится связь. Отсюда поляризуемость молекулы может быть представлена как сумма поляризуемостей отдельных связей в этой молекуле. Сравним поляризуемости трех молекул: сн нсвт-- сн нс.~ 'сн сн 9 69 10-ЭО мо н н l н — с — с — н I н н н~ ..н с=с н 'н 3 70 1О-эо эээоээн д,зэигэо Таким образом, на долю С вЂ” С-связи в этапе приходится ас с=ас,н,— бас — и=10 эо(4,33 — 6 0,68)=0,25 10 10. В этилене на долю двойной связи С=-С приходится ас-с=ос,н,— 4ас-н= =10-90(3,70 — 4 0,68) =1,0.10-'0.
Отсюда видно, что поляризуемость двойной связи в 4 раза выше, чем поляризуемость простой одинарной связи. Это значит, что на долю и-связи приходится 0,75.10-90, и то время как полярнзуемость а-связи С вЂ” С в этапе составляет 0,25 10 90. В бензоле на долю и-электронного облака приходится =ас,н,— бас — н — бас — с= — 10 эо(9 89 — 6.0,68 — 6.0,25)=4,31 . 1Оа„ т.
е. значительно больше, чем пришлось бы на долю трех изолированных а-связей. $ З.З. Поляризация вещества и диэлектрическая постоянная Полярное вещество в отсутствие электрического поля ие поляризовано, т. е. его суммарный дипольный момент равен нулю. Это связано с тем, что днполи в веществе ориентированы хаотично, т.
е. любые их ориентации равновероятны. Поэтому при достаточно большом числе частиц на каждый диполь, ориентированный в каком-то произвольном направлении, приходится диполь, орнентиро- 3 ча д ванный в обратном направлении, н, следовательно, векторная сумма всех дипольных моментов частиц вещества равна нулю.
Р=йа В электрическом поле у всех частиц в результате их поляризуемо- ЗЗ. Пара скл ~~"сс~уккннх сти возникают направленные по пока алектрнческна днполь в алектрнческом поле напрнженностьюе лю наведениые дипольные моменты в соответствии с формулой (5.1).
Суммарный дипольный момент на единицу объема вещества (поляризованность вещества) за счет наведенной электронной поляризуемости составит; Ра=4и Р л пей, рд А с Если частицы вещества обладают постоянным дипольным моментом дь то на них в электрическом поле действует пара сил, стремящаяся развернуть электрический диполь по направлению поля (рис. 33), момент которой М=Я8$ з(п О=р,Ю в!и 6. (5.2) Одновременный учет действия этой пары снл и теплового движения частиц, непрерывно сбивающего диполи с нх оптимальной ориентации, приводит для не слишком низких температур и не слишком сильных электрических полей к выражению для возникающей прн этом ориентационной поляризованности вещества в виде й'а ре Р,= — — У.
и, зкт (5.3) Р,=4пФаа,8, где Ф вЂ” число частиц в единице объема. Последнее может быть выражено через плотность вещества р и относительную молекулярную массу М, как рФл/М„где Ага — постоянная Авогадро". Следовательно, ч Здесь Уа выражена в кмоль-' н, следовательно, равна 6,02 10м. Следовательно, полная поляризованность вещества равна р р а ~ + Ра~р В результате поляризованности в веществе каи бы создается встречное электрическое поле, ослабляющее действие внешнего электрического поля и, в частности, уменьшающее силу притяжения между разноименными зарядами и силу отталкивания между од- эгм М поименными зарядами в веществе 4,.+г Р по сравнению с силой, действующей между теми же зарядами в вакууме. Это ослабление учитывается введением в выражение для закона Кулона (1.19) дополнительного множителя в„получившего назва- у алас нне диэлектрической постоянной вещества: ит и сггЯг (5.4) Рис.
34. Графичесяиз метод опре4паечгг делеиия момеитои диполя иа аа- аисимости диалеятричесяоз постоЧем сильнее поляризованность ве- яияоя е от температуры т щества при заданном значении напряженности электричесиого поля, тем выше его диэлектрическая постоянная.
Связь между величиной диэлектрической постоянной и величинами поляризуемости частиц вещества и их дипольным моментом дается уравнением Клаузиуса — Мосотти: Диэлектрическая постоянная вещества может быть измерена. Для этого достаточно измерить емкость конденсатора, между пластинами которого помещено исследуемое вещество. Известно, что емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической постоянной вещества, находящегося между пластинами. Сама же емкость легко измеряется радиотехническими метадамн. Измерив диэлектрическую постоянную при нескольких температурах, можно с помощью уравнения Клаузнуса — Мосотти определить поляризуемость и дипольный момент частиц вещества. Способ расчета виден нз рис.
34. Если откладывать по оси абсцисс значения 1/Т, прн которых проводилось измерение еь а по оси ординат значения ((и,— 1)/(я,+2Ц(М,(р), то экспериментальные точки должны расположиться на одной прямой. Отрезок, отсекаемый этой 4к прямой на оси ординат, дает значение — Хаа, а тангенс угла 3 наклона этой прямой фа= ' т. е. позволяет определить ре. АРе рг И' й $.4. Магнитные свойс*на атомов и молекул Магнитное поле возникает в результате движения электрических зарядов. Поэтому любой проводник, по которому течет электрический ток, создает вокруг себя магнитное поле. Это поле в каждой точке может быть охарактеризовано вектором напряженности магнитного поля Н.
Величина и направление этого вектора однозначно определяются геометрией проводника и силой тока. Например, напряженность магнитного поля в любой точке, находящейся на расстоянии )г от бесконечного прямолинейного проводника, по которому проходит ток с силой тока 1: Н =1/2К [А/и), (5.б) причем вектор Н расположен в. плоскости, перпендикулярной направлению проводника, и направлен вдоль окружности радиуса 1г, проведенной в этой плоскости из точки ее пересечения с проводником (при этом вектор направлен по часовой стрелке, если смотреть вдоль проводника в направлении электрического тока).
Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды, в частности на проводник с током. Действие магнитного поля на ток определяется вектором магнитной индукции В. Сила, действующая на проводник длиной!, по которому протекает электрический ток силой 1 со стороны перпендикулярного ему магнитного поля с магнитной индукцией В, равна Р=ВП. (5.7) При этом сила направлена перпендикулярно плоскости, в которой находятся проводник и вектор индукции, в соответствии с известным из физики правилом левой руки (если расположить левую руку так, чтобы магнитное поле входило в ладонь, а пальцы направить вдоль направления тока, то отогнутый большой палец укажет направление силы). Единица измерения магнитной индукции в системе единиц СИ вЂ” тесла (Тл).
Между векторами напряженности магнитного поля и вектором магнитной индукции существует простая связь: В= — р,р.,//, (5.8) где рг †т называемая магнитная постоянная, равная 4п 10 г Гс/м; р, †относительн магнитная проницаемость среды, равная единице в вакууме. Последняя величина отражает взаимодействие магнитого поля с веществом. У подавляющего большинства веществ эта величина чуть меньше единицы; они называются диамагнигными. У целого ряда веществ эта величина несколько больше единицы (на доли процента). Такие вещества называются парамагнитными. Наконец, встречаются вещества с )гь во много раз превышающей единицу, — так называемые ферромагнегики.
96 Поместим в горизонтальное магнитное поле с магнитной индукцией В (рис. 35) прямоугольную рамку со сторонами 1т и 1й так, чтобы стороны длиной 1~ были перпендикулярны плоскости чертежа, а две другие параллельны плоскости чертежа. Пусть также й— угол между направлением магнитного поля и направлением, перпендикулярным плоскости рамки. Нетрудно видеть, что на вертикальные стороны рамки действует пара сил, которая в соответствии с (5.7) равна Т=Нйз(п 6=ВП,1аз(п6=В18 з!п6, где  — площадь, обтекаемая электрическим током.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
