Міністерство загальної та професійної освіти РФ
Московський Державний Технічний Університет
ім. Н. Е. Баумана
Доповідь
Дипольний момент молекули й зв'язку
Виконано студенткою гр. МТ10-42 Галямовой ІриноюПеревірив Волков А.А.
м.Москва, 2001р.
Уявімо собі, що можна знайти "центри тяжіння" негативних і позитивних частин молекули. Тоді умовно всі речовини можна розбити на дві групи. Одну групу становлять ті, в молекулах яких обидва "центру тяжіння" співпадають. Такі молекули називаються неполярними. До них відносяться всі ковалентні двоатомні молекули виду А2, а також молекули, що складаються з трьох і більше атомів, що мають високосімметрічное будова, наприклад СО2, СS2, СCl4, С6 H6. У другу групу входять всі речовини, у яких "центри тяжіння" зарядів у молекулі не збігаються, молекули яких характеризуються електричної асиметрією. Ці молекули називають полярними. До них відносяться молекули виду АВ, в яких елементи А і В мають різну електронегативність, і багато більш складні молекули. Систему з двох різнойменних електричних зарядів, рівних за абсолютною величиною, називають диполем.
Полярність молекули (і полярність зв'язку) характеризується дипольним моментом молекули (або зв'язку).Величина дипольного моменту сильно впливає на властивості полярних молекул і речовин, побудованих з таких молекул. Полярні молекули поляризуються в електричному полі, встановлюючи по силових лініях поля, орієнтуються в Електричного полях, створюваних іонами в розчинах, взаємодіють між собою, замикаючи свої електричні поля. Дипольний момент утворюється за рахунок зміщення центрів позитивного і негативного зарядів на деяку величину l, звану довжиною диполя.
Чим більше полярні молекули, що глибші зміщені валентні електронні пари до одного з атомів, тим більше m. І навпаки, якщо електрична асиметрія молекул незначна, то величина m невліка ..
Для системи з двох частинок дипольний момент m дорівнює: m = el.
Де e-величина заряду; l-відстань між центрами. Однак, визначаючи відразу величину дипольного моменту, ми не знаємо ні величини заряду e, локалізованого в полярній молекулі, ні відстані між центрами l.
Приймаються e рівним заряду електрона (1,6021 * 10-19Кл) і тоді отримуємо наведену довжину диполя l, яка є умовною величиною. В якості одиниці вимірювання дипольних моментів прийнятий дебай (названий на честь голландського фізика П. Дебая, який розробив теорію полярних молекул). В системі СІ 1D = 0,33 * 10-29Кл * м.
Дипольні моменти зазвичай визначають експериментально, вимірюючи відносну діелектричну проникність e речовин при різних температурах. Якщо речовина помістити в електричне поле, що створюється конденсатором, то ємність останнього зросте в e разів, тобто e = c/c0 (де c0 і з-ємність конденсатора у вакуумі та в середовищі речовини).
Енергія електричного поля в конденсаторі U виражається співвідношенням:
U = 1/2cV2,де V-напруга на обкладинках конденсатора.
З наведеного рівняння видно, що конденсатор в середовищі речовини має більший запас енергії, ніж у вакуумі (с> 1). Це обумовлено тим, що під дією електричного поля відбувається поляризація середовища - орієнтація диполів і деформація молекул. Перший ефект залежить від температури, другий - не залежить.
Температурну залежність щодо дизлектическая проникності речовини e висловлює рівняння Ланжевена-Дебая:
'
де М-відносна молекулярна маса речовини; r-щільність речовини, NA-стала Авогадро; k-постійна Больцмана, яка дорівнює R / NA (R-універсальна газова постійна); a-деформаційна полярізуємость молекул.
Вимірявши e при двох температурах, за допомогою рівняння Ланжевена-Дебая можна визначити a і m. Є й інші методи експериментального визначення m.
Значення дипольних моментів для деяких зв'язків між різнорідними атомами наведені в таблиці:
Не слід плутати дипольний момент зв'язку і дипольний момент молекули, так як в молекулі можуть існувати декілька зв'язків, дипольні моменти яких підсумовуються як вектори. Крім того, на величину дипольного моменту молекули можуть впливати магнітні поля орбіталей, що містять електронну пару, - "неподілені" електрони . Великий вплив на полярність молекули надає її симетрія.
Наприклад, молекула метану CH4 володіє високим ступенем симетрії (центрований тетраедр), і тому векторна сума дипольних моментів зв'язків (m = 0,4 D) дорівнює нулю:
Smсв = 0
Якщо замінити водневі атоми на атоми хлору і отримати молекулу CCl4, у якої дипольний момент зв'язку m = 2,05 D, ті в п'ять разів більший, ніж для CH, то результат залишиться тим самим, так як молекула CCl4 володіє таким же будовою.
рис.2. схема будови молекули СО2
Зв'язок С = О володіє дипольним моментом 2,7 D, проте лінійна молекула СО2
Є неполярної до тих пір, поки її структура не спотвориться під дією інших молекул (напр, Н2О). Структура лінійної молекули СО2, в якій атом вуглецю гібридизувати частково: 2s22p2 2s12p3 2q22p2, представлена на рис.2. Дипольні моменти зв'язків, володіючи різними знаками, дають загальний депольний момент, рівний нулю:
Smсв = 0.
Таким чином, полярність молекул визначається досить складно, тому що вона враховує усі взаємодії, які можуть виникнути в такій складній структурі, як молекула. Крім того, "полярність" молекули не визначається лише величиною дипольного моменту, а залежить також від розмірів і конфігурації молекул. Наприклад, молекула води більш різко проявляє свої полярні властивості (освіта гідратів, розчинність тощо), ніж молекула етилового спирту, хоча дипольні моменти у них майже однакові (mн2о = 1,84 D; mс2н5он = 1,70 D).
Значення дипольних моментів для деяких полярних 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 |
Дипольний момент полярної молекули може змінювати свою величину під дією зовнішніх електричних полів, а також під дією електричних полів інших полярних молекул, проте при видаленні зовнішніх впливів дипольний момент приймає колишню величину. Деякі молекули, неполярні у звичайних умовах, можуть отримувати так званий індукований або "наведений" дипольний момент, теж зникає при знятті поля. Величина індукованого моменту в першому наближенні пропорційна напруженості електричного поля E: mінд = ae0E, гдеa - коефіцієнт поляризуемости, [a] = м3, e0-електрична постійна.
Фізико-хімічні особливості полярних молекул визначаються їх здатністю реагувати на зовнішні електричні поля (електрична поляризація) і на поля, створені іншими полярними молекулами. Зокрема, за рахунок взаємодії з полярними молекулами води такі полярні молекули, як HF, HCl та інші, можуть піддаватися електролітичної дисоціації.
Додатково використовується література:
1.Загальна та неорганічна хімія. Карапетьян, Дракіно
2. Теоретичні основи загальної хімії. Горбунов, Гуров, Філіппов