Электрические и магнитные свойства молекул

Молекулы, образованные двумя атомами с разной электроотрицательностью, полярны. Дипольный момент μ = e∙ℓ, где е – значение элементарного электрического заряда; ℓ - расстояние между зарядами. Если связь между атомами одинарная, то чем выше разница в электроотрицательности атомов, тем более полярна молекула. Если же атомы связаны кратной связью, то на основании электроотрицательности атомов нельзя однозначно сказать о полярности связи и направленности диполя молекулы. Это объясняется вкладом неподеленной электронной пары одного из атомов в общую полярность молекулы. Например, молекулы HCl и СО составлены атомами, у которых разность между электроотрицательностями примерно одинакова и равна единице. Однако дипольные моменты молекул разные: μ(HCl) >> μ(СО). И направленность диполя в молекуле СО другая: отрицательный конец диполя направлен в сторону менее электроотрицательного атома углерода. Объясняется это тем, что в молекуле СО тройная связь: две связи образуют неспаренные электроны по обменному механизму (общие электронные пары смещены к атому кислорода как более электроотрицательному), третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму (атом кислорода предоставляет свою неподеленную электронную пару на свободную орбиталь атома углерода). Это приводит к смещению электронной плотности от атома кислорода к атому углерода и это смещение настолько велико, что избыточная электронная плотность оказывается на атоме углерода.

Молекулы, состоящие более чем из двух атомов, могут быть полярными или неполярными, даже если отдельные химические связи в ней полярные. Симметричное располажение даже полярных связей приводит к общей неполярности молекулы. Например, О=С=О – симметрично линейная неполярная молекула. В ней химические связи полярные, но центр тяжести и положительного и отрицательного зарядов находится в центре молекулы в силу ее симметричности.

Гибридизация связей приводит к неполярности молекул или ионов. Но не всегда, а только тогда когда гибридная орбиталь не занята неподеленной электронной парой. Если же на гибридной орбитали находится неподеленная электронная пара, то это приводит к сильному смещению центра тяжести отрицательных зарядов и к увеличению полярности молекулы.

Если ион или молекулу поместить в электрическое поле, то происходит деформация – смещение ядер и электронов относительно друг друга. Такая деформация называется поляризуемостью. В первую очередь испытывают смещение электроны внешнего слоя.

При одинаковом радиусе и заряде наибольшей поляризуемостью обладают ионы, которые имеют внешнюю заполненную 18 электронную оболочку; меньшей поляризуемостью обладают ионы с незаполненной 18-электронной оболочкой; еще меньшей – ионы с 8-электронной структурой.

При одинаковой структуре электронных оболочек поляризуемость иона уменьшается по мере увеличения положительного заряда иона.

Для электронных аналогов поляризуемость ионов увеличивается с ростом числа электронных слоев.

Электрическое поле может быть создано самим ионом, т.е. ион сам может оказывать поляризующее действие на другие ионы или молекулы. Поляризующее действие иона возрастает с увеличением заряда и уменьшением радиуса, а при одинаковом заряде и радиусе – по ряду 8-электронных структур; незаконченных 18-электронных структур; законченных 18-электронных структур. При этом катионы обладают большим поляризующим действием, чем анионы, т.к. они меньше по размерам.

Молекулы обладают поляризующим действием только, если они полярны, и это действие тем выше, чем больше μ.

По своим магнитным свойствам все вещества делятся на парамагнитные и диамагнитные.

Парамагнитные вещества – это те, в которых атомы или молекулы обладают постоянным магнитным моментом.

Диамагнитные – те, атомы или молекулы которых не обладают магнитным моментом.

Парамагнитные вещества обладают свойством втягиваться в магнитное поле, диамагнитные – выталкиваются магнитным полем.

Если в молекуле имеются неспаренные электроны, то она обладает парамагнитными свойствами, если неспаренных электронов нет, то молекула диамагнитна. Такой вывод дает МВС и он в основном верен. Но не всегда МВС в состоянии объяснить магнитные свойства веществ. Например, с точки зрения МВС молекула О₂ должна быть диамагнитна, а она обладает парамагнитными свойствами. Этот факт объясняет другой метод описания химической связи – метод молекулярных орбиталей (ММО).