Общие сведения
В органических и неорганических веществах молекулы удерживаются друг возле друга благодаря силам межмолекулярного взаимодействия. По своей сути, эти силы являются электрическими и зависят от электронной структуры молекулы.
К электрическим свойствам молекул относят:
-
дипольный момент;
-
диэлектрическую проницаемость.
Фундаментальными характеристиками электрических свойств молекул выступают дипольный момент и поляризуемость. Их величины показывают, насколько молекулы могут притягиваться друг к другу.
Молекула - это электронейтральная частица, в которой величина положительного заряда перекрывается величиной отрицательного заряда. В отличие от изолированных атомов, молекула обладает энергией поступательного и вращательного движения. Внутренняя энергия молекулы суммируется из энергии движения электронов и энергии колебательных движений ядер атомов.
Существует два типа нейтральных молекул:
-
Заряды в молекуле расположены симметрично. При отсутствии воздействия на молекулу внешнего электрического поля их дипольный момент равен нулю.
Например: газообразные вещества - водород $H_2$, диоксид углерода $CO_2$, азот $N_2$, метан $CH_4$ и др.
-
Атомы в молекуле расположены ассиметрично. Поэтому данные молекулы обладают определенным дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля.
Например: газообразные вещества - диоксид серы $SO_2$, сероводород $H_2S$, аммиак $NH_3$; жидкости -- вода, эфиры, нитробензол, органические кислоты и др.
Понятие дипольного момента
Дипольный момент ${\mathbf \mu }$ -- это векторная величина, характеризующая асимметрическое положение положительных и отрицательных зарядов в нейтральной системе. Он равен произведению расстояния между центрами разноименных зарядов на их величину. Направлен дипольный момент от отрицательного заряда к положительному заряду.
Атом имеет сферическую форму электронного облака. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов в таком атоме находятся в центре сферы и, следовательно, совпадают. При наложении внешнего электрического поля электронное облако будет смещаться и центры тяжести зарядов раздвигаться друг от друга. Таким образом, происходит разведение положительного и отрицательного зарядов - атом поляризуется.
В данном случае дипольный момент является индуцированным (наведенным), так как будет существовать только при наличии внешнего электрического поля. При прекращении действия электрического поля, индуцированный дипольный момент исчезает. При этом, наблюдается прямо пропорциональная зависимость между дипольным моментом и напряженностью электрического поля.
Если молекула полярная, она обладает постоянным дипольным моментом. Он характерен для соединений с электроотрицательным заместителем и как следствие, неровным распределением зарядов в молекулах.
Например: в качестве заместителя выступают $-F$, $-Cl$, $-Br$, $-OR$, $-NO_2$, $-CN$, $-COOR$ и др.
Наведенный дипольный момент способен индуцироваться на молекулах с постоянным дипольным моментом, уменьшая или увеличивая последний.
Понятие о поляризуемости
Способность электронов смещаться под действием электронного поля называется поляризуемостью атома или молекулы.
Степень поляризации будет зависеть от напряженности электрического поля: чем выше напряженность поля, тем более сильно смещаются электроны.
Полярность молекулы оценивают значением ее электрического момента диполя.
Если молекула состоит из разных атомов, то при отсутствии электрического поля центры тяжести разноименных зарядов, вероятно, совпадать не будут.
Некоторые молекулы обладают постоянным дипольным моментом независимо от наличия внешнего электрического поля.
В молекуле хлороводорода $HCl$ атомы водорода и хлора связаны друг с другом гомеополярной связью. Электроотрицательность хлора значительно превышает электроотрицательность водорода, поэтому вблизи атома хлора плотность электронного облака будет значительно увеличена. Центр тяжести отрицательных зарядов смещается в сторону хлора, положительных -- в сторону водорода. Следовательно, молекула хлороводорода $HCl$ обладает постоянным дипольным моментом.
Постоянный дипольный момент отсутствует в симметричных молекулах, так как у них центры тяжести совпадают (азот $N_2$, водород $H_2$, кислород $O_2$, хлор $Cl_2$ и др.).
В зависимости от наличия дипольного момента различают: полярные вещества, имеющие постоянный дипольный момент (вода, амммиак, ацетон и др.) и, не имеющие постоянного дипольного момента, неполярные вещества.
Поляризуемость, возникающая под действием внешнего электрического поля может быть и у полярных и у неполярных веществ. В результате поляризуемости в молекуле происходит перераспределение зарядов и изменяется величина дипольного момента.
Под действием внешнего электрического поля неполярная молекула может стать полярной, а полярная стать еще более полярной.
Молекулы полярных веществ под действием электрического поля стремятся развернуться таким образом, чтобы занять положение с наименьшей энергией. Это можно достигнуть, если дипольный момент будет направлен вдоль напряженности поля.
Величина поляризации определяется соотношением между воздействием электрического поля, которое упорядочивает расположение молекул в пространстве и воздействием теплового движения.
Поляризуемость определяется как индуцированный дипольный момент в поле с единичной напряженностью, при условии, что молекула помещена в однородное электрическое поле.
Наличие дипольного момента у молекул является следствием:
-
разных электрических свойств, составляющих молекулу атомов;
-
ассиметричного расположения атомов в молекуле.
Межмолекулярное взаимодействие обусловлено полярностью и поляризуемостью молекул.
Понятие диэлектрической проницаемости
Диэлектрическая проницаемость $\varepsilon$ -- величина, равная отношению сил взаимодействия между зарядами в вакууме $F_0$ к силам взаимодействия зарядов в веществе $F$:
Диэлектрическая проницаемость характеризует вещества (нейтронные, газообразные, жидкие, твердые), частицы которых обладают электрическим зарядом. Она может описывать как внутренние характеристики среды, так и внешнее воздействие зарядов и электрических токов.
Диэлектрическая проницаемость связана с электрической индукцией $D$ и напряженностью электрического поля в среде $E:$
Диэлектрическая проницаемость зависит от:
-
структуры вещества;
-
температуры;
-
частоты электрического поля;
-
напряженности поля.
