分子的物理性质及弱化学键.ppt

第七章 分子的物理性质及弱化学键,分子的电学性质：偶极矩 分子的磁学性质：磁化率 分间作用力 弱化学键,1、偶极矩,一、分子的电学性质,正负电荷中心不重合的分子为极性分子。,偶极矩的定义：,SI单位：Cm，惯用单位：D,1D=3.33610-30 Cm,对于分子的极性用偶极矩表示。分子的偶极矩可通过实验求出，或通过量子力学的计算。 对于共价键的极性，用键矩表示。公式和方向的规定同偶极矩，qd，方向从正到负。,2、分子的极化,取向极化（极性分子）,变形极化（所有分子）,定义：,的单位是：m3，又称之为极化率体积。,极化率与介电常数的关系,相对介电常数：,Clausius-Mosotti-Debye方程,化合物相对介电常数与极化率之间在关系如下：,对于极性分子：,可以证明：,由和r计算出P，以P对1/T作图，由直线的截矩和斜率可求d和。,令,摩尔取向极化度,极化作用与频率的关系,对于高频电场，如可见光区，只存在电子极化率。 在光频范围一定频率下。介电常数与该频率时的介质折射率之间存在如下关系：,可求得电子极化度：,Rm：摩尔折射度,反磁化率,物质的磁化,永久磁矩,顺磁性,平均磁矩,实验磁化率,磁化率,不成对 电子数,配键类型,磁化率原理流程图,二、分子的磁学性质：,原子在磁场中的示意图,物质在外加磁场 中会被磁化，有感应磁场 ，所以物质内部的磁场强度B是,若 与 的方向相同，则该物质为顺磁。 （其中若 消失后， 并不消失，则该物质为铁磁性物质） 若 与 的方向相反，则该物质为反磁。,1、物质的磁化,为何顺磁物质在日常生活中并不显磁性呢?,分子热运动使得原子或分子指向各个方向的机率相同，从宏观上看总磁矩为零。,顺磁物质中的单个原子或分子具有永久磁矩 ，永久磁矩使得每个原子或分子就是一个有方向的小磁场。在外加磁场的作用之下，原子或分子的 会顺着磁场排列。同时顺磁物质本身在磁场中显出磁性，也加大了物质内部的磁场强度。,2、永久磁矩,永久磁矩 的产生是因为顺磁物质中的单个原子或分子的总角动量 不为零，其中 （ 是总轨道角动量， 是总自旋角动量） 而总角动量的大小,（J是内量子数，J=L+S,L+S-1,L+S-2,|L+S|） 永久磁矩 与内量子数J有关： （g是朗特因子，与量子数J,L,S有关； 是玻尔磁子）,无外加磁场时， 由于热运动，原子或分子的磁矩指向个各方的机率相同，故顺磁质宏观的平均磁矩为零；在外加磁场作用下，原子或分子的 会顺着磁场方向排列，但热运动会扰乱这种排列，当达到热力学平衡时，物质便具有平均磁矩。显然平均磁矩与外加磁场 的强度成正比，与温度成反比。,3、平均磁矩的理论值,根据玻尔兹曼分布定律，并注意到一个给定的内量子数J,对于总磁量子数MJ，同时可取J，J-1，J-2，-J共2J+1个值，所以平均磁矩： 其中，k=1.3810-23焦耳/度是玻尔兹曼常数；T是绝对温度。 代入 ，得平均磁矩：,help,4、平均磁矩的实验值,在多原子分子中，电子轨道运动与分子的核构型关系很紧密，以致电子轨道运动产生的磁矩不能顺着外磁场方向，宏观上产生的磁矩小；故分子的磁性几乎全部是由电子自旋运动提供的。 所以永久磁矩的公式改写为： 仅考虑自旋时，g=2.00 设未成对电子数为n，则S=n/2，代入上式得：,help,5、磁化率,磁介质在磁场中的磁化程度，用磁化强度矢量 表示， 被定义为单位体积分子磁矩的矢量和。,单位体积磁化率（无量纲）可以看作单位磁场强度下单位体积的磁矩,6、摩尔磁化率,磁化率是永久磁矩在宏观上的表现。 摩尔磁化率 的定义是单位磁场强度下，一摩尔物质的 ，即 若仅考虑平均磁矩的实验值，则：,help,7、摩尔反磁化率,只要有外加磁场，反磁质、顺磁质都会产生与H方向相反的诱导磁矩。 摩尔反磁化率 是单位磁场强度下，一摩尔物质的 ，即： 对于反磁质来说，实验测得的磁化率就是反磁化率。,help,8、实验磁化率,而对于顺磁质来说，实验测得的磁化率 是磁化率 和反磁化率 之和： 但 ，所以可以近似将 看作 ，故只根 据 来计算：,help,9、不成对电子数,设未成对电子数为n,则S=n/2 解方程，可得： 所以，只有存在未成对电子的物质才有顺磁性,help,10、配键类型,络合物呈球对称，电子轨道能量都相同。,络合物呈正八面体，电子轨道能量不全相同。,以铁原子为例：,有两个孤对电子,无孤对电子,故根据不成对电子数可以确定络合物中的结构,help,11、磁天平的原理,help,样品管,天平,磁场,沿样品轴心方向S，存在一磁场强度梯度，作用于样品的力为： 其中，A为样品截面积；K为样品的体积磁化率；KK为空气的体积磁化率；量纲是cm2/cm3；积分边界条件H为磁场中心的强度，H0为样品顶端的磁场强度。 假定KK可以忽略不计，且H0=0，将上式积分，得：,help,help,分子间力也叫范德华力(Van der Waals Force)。物质通过分子间的力相互吸引，而成一定的状态（一般为三态）,三、分子间的作用力,静电力,德拜力,1. 定向力orientation force,是极性分子与极性分子之间的作用力。当两个极性分子充分接近时，由于同性相斥，异性相吸，使分子偶极定向排列，这种力叫定向力。 分子的偶极矩越大，定向力越大。是固有偶极之间的力。,常温下，Vk0 高温下， Vk=0,2. 诱导力induction force,是极性分子与非极性分子之间的作用力。 非极性分子无偶极矩，但在极性分子的偶极矩的诱导下，产生了瞬间偶极，它与固有偶极之间的作用叫诱导力。极性分子的偶极矩越大，非极性分子的变形性越大，作用就越强。,与温度无关,3. 色散力dispersion force,由于原子的运动，使电子云和原子核之间发生瞬时的相对位移，由此产生瞬时偶极。瞬时偶极之间的作用叫色散力。这种力在任何分子都存在。非极性分子之间正是通过这种力相互作用的。 分子的体积越大，变形性越大，色散力越大。,分子的变形性,分子间作用力的特点：,存在于一切分子、原子之间。 作用能量一般为几kJ/mol 到几十kJ/mol ，比化学键小12数量级。 短程作用。只有几个A0,作用力与分子间距离的6次方成反比。所以气体分子之间的作用力远远小于液体分子之间的作用力。 无方向性、饱和性 通常在三种作用力中，色散力是主要的。,范德华力与物理化学性质,1、对熔点、沸点、熔化热和汽化热的影响,2、吸附（物理吸附or化学吸附？）,四、氢键 hydrogen bond,1 氢键的形成： XHY用来表示氢键，其中XH键的电子云偏向高电负性的X原子，导致出现屏蔽小的带正电性的氢原子核，它强烈地被另一个高电负性的Y原子所吸引。 以XH Y表示。X,Y= F,O,N。,2 氢键形成的本质,由于高电负性原子的强烈吸引，使与之相连的氢原子成裸核，正电荷密度很大，可与另一个电负性大的原子的孤对电子通过静电引力而成。 氢键不属于范德华力，也不属于化学键，是特殊形式的分子间的作用力。 它有方向性和饱和性（为什么）,氢键的一些特点： 1）大多数氢键XHY是不对称的，HX距离较近，HY距离较远； 2） XHY可以为直线形180，能量上有利；也可为弯曲形，即180;,3）X和Y间的距离作为氢键的键长，键长越短，氢键越强，H原子处于中心点时，是最强的氢键； 4）氢键的实测键长要比氢键中共价键键长加范德华半径之和要短；,5）氢键XHY和YR键间形成的角度，通常为100140之间； 6）一般情况，氢键中H原子是二配位，有时有三、四配位； 7）多数氢键，只有一个H原子是直接指向Y上的孤对电子，但有例外。,非常规氢键 1） XH（质子受体是键和大键） 2） XH