Дипольный момент молекулы и связи

Текст:

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 Галямовой Ириной

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  m. И наоборот, если электрическая ассиметрия молекул незначительна, то величина m  невлика  ..

Для системы из двух частиц дипольный момент m  равен: m = 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 e  веществ при различных температурах. Если вещество поместить в электрическое поле, создаваемое конденсатором, то емкость последнего возрастет в e  раз, т.е. e=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 e  выражает уравнение Ланжевена-Дебая:

^

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

Измерив e   при двух температурах, с помощью уравнения Ланжевена-Дебая можно определить a и m. Есть и другие методы экспериментального определения  m. 

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 (m=0,4D) равна нулю:

Smсв=0

Если заменить водородные атомы на атомы хлора и получить молекулу CCl4, у которой дипольный момент связи m=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:

Smсв=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 (mн2о=1,84D; mс2н5он=1,70D).

Значения дипольных моментов для некоторых полярных молекул:

молекула	m	молекула	m	молекула	m	молекула	m	молекула	m
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: mинд=ae0E, гдеa - коэффициент поляризуемости, [a]=м3, e0-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