ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

"МАТИ"  Российский государственный технологический университет

имени К.Э. Циолковского

_______________________________________________________________

Кафедра «Моделирование систем и информационные технологии»

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ИОНОВ

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Химия»

Составители: Белова С.Б.

Гришина Н.Д.

Горлачева Т.К.

МОСКВА 2006

ВВЕДЕНИЕ

Образование химических соединений обусловлено возникновением химической связи между атомами в молекулах или кристаллических решетках.

Химическая связь – взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решетке в результате действия между атомами электрических сил притяжения.

Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. Эти типы химической связи не существуют изолированно в реальных веществах, а реализуются как промежуточные формы связи.

1. ПОЛЯРНАЯ КОВАЛЕНТНАЯ И ИОННАЯ СВЯЗЬ

Химическая ковалентная связь возникает между соединяющимися атомами элементов при перекрывании атомных орбиталей двух электронов, обладающих антипараллельными спинами. Смещение общего электронного облака в направлении к атому элемента с более высоким значением электроотрицательности (ЭО) характеризует поляризацию химической связи. При этом, соответственно, смещаются «электрические центры тяжести» всех положительных зарядов (протонов в ядрах атомов) и всех отрицательных зарядов (электронов), что приводит к возникновению диполя. Диполь – система из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов.

Характеристикой полярности ковалентной связи является постоянный дипольный момент µ_p. Эта величина определяется произведением элементарного заряда электрона q на длину диполя l (расстояние между зарядами):

µ_p = q∙l, D (1)

Для измерения величины дипольного момента принята особая единица размерности D – Дебай.

Следует учитывать, что дипольный момент µ_p является вектором. Геометрическое сложение векторов, характеризующих дипольные моменты отдельных полярных ковалентных связей в молекулах, определяет дипольный момент молекулы. Для неполярных молекул µ_p = 0. В полярных молекулах значения µ_p достигают 3,5 – 4,0 D, а при наличии ионной связи возрастает до 10 D. На условных «концах» диполей - полярных молекул возникают эффективные заряды (δ⁺ и δ^-).

Поляризация ковалентных химических связей сопровождается деформацией внешних электронных оболочек атомов, входящих в состав молекул, что приводит к возникновению частично ионизированных атомов, которые можно назвать условными ионами. Это означает, что внешняя электронная оболочка атома, обладающего меньшим значением ЭО, смещается в направлении условного аниона. В составе молекул условные катионы обладают положительным значением окислительного числа (+ о.ч.), условные анионы – отрицательным значением окислительного числа (- о.ч.).

Однако в ионных кристаллах типичных солей атомы химических элементов почти полностью ионизированы (доля ионной связи может достигать 94-96%), а в водных растворах электролитов существуют обособленные, реальные гидратированные катионы и анионы.

При наложении электрического поля происходит дополнительная поляризация ковалентных связей и деформация электронной структуры ионизированных атомов. Характеристикой этого эффекта является индуцированный дипольный момент µ_i , размерность которого также выражается в Дебаях (D).

µ_i = q∙l, D (2)

Таким образом, общий дипольный момент ковалентных связей и молекул является суммой µ_p и µ_i .

Величина индуцированного дипольного момента µi пропорциональна напряженности электрического поля Ē

µ_i = α∙Ē, D (3)

В этом выражении коэффициент α имеет физический смысл поляризуемости, то есть характеризует микрообъем пространства, который занимает деформированная внешняя электронная оболочка ионизированного атома при смещении ее относительно ядра атома.

α = µ_i / Ē , см³ (4)

Явления поляризации наблюдаются в ионных кристаллах, растворах электролитов и даже в веществах с молекулярным строением. Это объясняется тем, что напряженность электрического поля между заряженными частицами, расположенными на ничтожно малых расстояниях друг от друга, весьма высока.