Будова атома і молекули, електричні та оптичні властивості Рефрактометрія

2.I. Поляризація молекул

Усі молекули можуть бути розділені на два типи: неполярні й полярні (з несиметричним і симетричним розподілом зарядів). Полярну молекулу називають також дипольною, або диполем. У двохатомному диполі на одному з атомів утворюється надлишок негативних, на іншому – такий же надлишок позитивних зарядів. У багатоатомних молекул існують деякі області з надлишком позитивних і негативних зарядів. Однак і тут можна уявити собі два центри зарядів.

Дипольним моментом μ називають добуток заряду на відстань між зарядами. Дипольний момент має властивості векторів. При поміщенні неполярної молекули в електричне поле під дією електричного поля сусідньої полярної молекули або йона атоми й легкорухливі електрони перетерплюють деякі зміни, відбувається зсув зарядів відносно один одного, що створює індукований (наведений) дипольний момент. Внаслідок існування власного (постійного) дипольного моменту полярна молекула прагне орієнтуватися уздовж напрямку поля, крім того, в ній, як і в неполярній виникає наведений момент.

Зсув електронів, атомів, орієнтація молекули в електричнім полі називається поляризацією. Поляризація молекули Р складається з електронної Р_ел, атомної Р_ат і орієнтаційної Р_ор.

Р = Р_ел+ Р_ат + Р_ор (2.1)

Електронна й атомна поляризація не залежить від температури, орієнтаційна – обернено пропорційна абсолютній температурі, тому що хаотичний тепловий рух молекул порушує орієнтацію

, (2.2)

де ε – відносна діелектрична проникність,

М – молярна маса (г),

ρ – густина речовини (г/см³),

М/ρ – молярний об'єм (см³/моль).

При зміні напрямку зовнішнього електричного поля відбувається переорієнтація полярних молекул і зміна напрямку вектора наведеного диполя. При збільшенні частоти електричного поля спочатку відпадає орієнтаційна ( при ν ~10¹⁰ Гц, λ ~ 1см), потім атомна ( при ν ~ 10¹³ Гц, λ ~ 10^-4 см) складові поляризації, тому що молекули й атоми, що мають порівняно більшу масу, не встигають за зміною напрямку електричного поля, і залишається тільки електронна поляризація.

2.2 Молярна рефракція.

При частотах видимого світла порядку 10¹⁵ Гц (λ= 450-750нм) проявляється тільки електронна поляризація Р_ел, яку називають молярною рефракцією R, см³/моль

(2.3)

де n – показник заломлення для променів видимого світла. Згідно зі співвідношенням Максвелла, при нескінченно великій довжині хвилі ε = n²_∞, але для наближених визначень рефракції досить користуватися показником заломлення променів видимого світла. За стандарт обрана жовта лінія натрію (позначають символом D, довжина хвилі λ_D=589,3 нм). У довідкових таблицях усі дані, як правило, наведені для цієї довжини хвилі.

Експерементально встановлено, що рефракція молекули наближено є сумою рефракцій окремих йонів, атомів або зв'язків, що входять до неї. Цю властивість рефракції (адитивність) можна пояснити тим, що зсув електронів у молекулі мало залежить від того, у які молекули входять такі групи. Крім того, зсув електронів незначно змінюється з температурою й агрегатним станом речовини. У речовин з однаковою емпіричною формулою, але різною будовою, рефракції різні. Наявність у сполуках кратних зв'язків і напружених циклів, що утворюються за рахунок π-зв'язків з легкорухливими електронами, збільшує їхню молярну рефракцію.

R = ΣmR_ат + ΣmR_кр.зв. + ΣmR_циклів (2.4)

де m – число атомів, кратних зв'язків, циклів.

Адитивність рефракції дозволяє встановити структуру молекули шляхом добору такої структурної формули, для якої вирахована молекулярна рефракція за наведеним рівнянням дорівнює експерементально отриманому значенню.

Лабораторна робота №4.