Електричні властивості молекул. Поведінка речовини в зовнішньому електричному полі

Всі молекули, що мають ковалентний зв’язок, можна розділити на два типи: полярні і неполярні. Якщо будь-яку молекулу з ковалентним зв’язком розмістити у зовнішнє електричне поле, то в молекулі спостерігається зміщення електронної густини і виникає індукований дипольний момент. В електричному полі крім зміщення електронної густини спостерігається і деяке зміщення атомів, а також орієнтація індукованого дипольного моменту вздовж силових ліній зовнішнього поля. Зміщення електронів, атомів та орієнтація молекул у зовнішньому полі називається поляризацією (Р). Загальна поляризація: Р = Рел + Рат + Рорієнт.

Власний дипольний момент буде виникати в молекулах, атоми яких мають різну електронегативність. На більш електронегативному атомі утворюється надлишок негативного електронного заряду, а на менш електронегативному – надлишок позитивного заряду. Така молекула буде диполем. Дипольний момент μ0 молекули виразиться формулою: μ0 = q · l, де q – заряд, l – віддаль між зарядами, μ0 – вектор, напрямок якого проходить від від’ємного до додатного заряду. В системі СІ μ0 вимірюється в Кул · м. Крім того, μ0 прийнято виражати в дебаях (D): 1D = 3,34 · 10–30 Кул · м.

Дипольний момент зв’язаний із симетрією молекул. Полярні молекули належать до точкових груп Сn або Сnv, тобто молекули характеризуються наявністю тільки осей симетрії або осей симетрії і площин симетрії, що перетинаються вздовж цих осей.

Молекули, що мають центр симетрії, дипольним моментом не володіють.

У молекулах з віссю симетрії – дипольний момент завжди направлений вздовж цієї осі.

При наявності площини симетрії вектор дипольного моменту лежить в цій площині.

Дипольний момент ізольованої молекули називається власним, або постійним дипольним моментом.

При поляризації молекул в електричному полі виникає індукований дипольний момент με, який обумовлений зміщенням електронної густини у молекулі: με = α · Е, де α – коефіцієнт поляризуємості, Е – напруга зовнішнього електричного поля.

Причини виникнення дипольних моментів у молекулах. У двохатомній молекулі типу АВ дипольний момент буде виникати тоді, якщо електронна густина в ній зміщена до одного з атомів. Зміщення електронної густини визначається потенціалом іонізації та спорідненістю електронів атомів, що входять до складу молекули.

Потенціал іонізації (І) визначається енергією відриву електрона від ізольованого атому. Для більшості хімічних елементів потенціали іонізації визначені і встановлена їх періодична залежність: по періодах (зліва направо) потенціал іонізації зменшується, а в групах (зверху вниз) збільшується. Це пояснюється закономірною періодичною зміною атомних радіусів елементів.

У відповідності з прийнятою термінологією енергію відриву першого, другого і т. д. електрона називають першим, другим і т. д. потенціалом іонізації. По мірі послідовного відриву електронів потенціал іонізації зростає. Ця залежність описується рівнянням Глокнера-Янсицина: І = a + bq + cq2 + …, де a, b, c – специфічні коефіцієнти для кожного атома; q – заряд іона.

Для нейтрального атома q = 0, тоді І = а.

Якщо уявити молекулу як деякий об’єднаний атом, то можна констатувати, що середня статистична віддаль між ядром і зовнішнім електроном буде більша ніж в ізольованого атома. Звідси випливає, що у випадку ковалентних молекул з σ-зв’язком потенціал іонізації молекули буде меншим ніж в ізольованого атома (за винятком молекули Н2, оскільки у молекулі відсутні внутрішні електрони). ............