结构化学第四章2.ppt

4 4分子的偶极矩和极化率 dipolemomentsandpolarizability 什么是偶极矩 偶极矩是表示分子中电子分布的物理量 分子由带正电的原子核和带负电的电子组成 对于中性分子 正负电荷相等 整个分子是电中性的 但正负电荷的中心可以重合 也可以不重合 正负电荷不重合的分子称为极性分子 它有偶极矩 偶极矩的物理意义 它是个矢量 这里我们规定其方向是由正电荷中心指向负电荷中心 偶极矩 是正负电荷中心间的距离r与电荷量q的乘积 即 偶极矩的单位为库仑米 偶极矩产生的原因 由于构成分子或化学键的原子的电负性差异 它们对于电子云的吸引能力不同 因此它们的正负电荷中心就会不重合 从而产生偶极矩 比如在HCl分子中 由于氯原子的电负性比氢原子强 因此电子云向氯原子附近靠近 这样氯原子就带由少量的负电荷 然而由于HCl分子是电中性的 那么氢原子就带有少量的正电荷 这样HCl分子的正负电荷中心就不重合了 产生了偶极矩 偶极矩的大小 若有电量为一个元电荷 的正负电荷相距10 10m 则其偶极矩为在cgs制中 上述情况下 这里D称Debye 德拜 是分子偶极矩的一种单位 比如上页的例子种HCl分子的偶极矩为1 82D 4 4 1分子的偶极矩和分子的结构 Moleculedipolemomentsandthestructureofmolecule 键的偶极矩 bonddipolemoments 只要成键的两个原子是不同的 它们在电负性上就有差别 它们对于成键的电子的吸引能力就有差别 这样就会导致电子云向一边移动 这样正负电荷中心就不重合 从而产生偶极矩 产生的键偶极矩大小主要是由成键的两个原子的电负性差决定 我们要想研究分子的偶极矩必须先研究构成分子的化学键的偶极矩 由于Cl原子的电负性比C大 这样在Cl原子周围就有多余的负电荷 C原子周围就有多余的正电荷 因此C Cl键具有极性 这个键被称为极性共价键 若干化学键的键矩 分子的偶极矩 分子的偶极矩由分子中全部原子和性质以及它们的相对位置决定 若不考虑键的相互影响 并认为每个键可以贡献它自己的偶极矩 则分子的偶极矩可近似地由键的偶极矩 键矩 按矢量加和而得 Example 例如 H2O分子中的H O键的键矩通过查表4 4 2为 HOH 104 5 如果认为H2O分子的偶极矩为两个H O键键矩的矢量和 则 分子对称性和偶极矩的关系 分子有无偶极矩与分子的对称性有密切关系 可根据分子的对称性为分子有无偶极矩做出简单而明确的判据 只有属于和这两类点群的分子才具有偶极矩 特殊情况 点群也包括在之中 而其他点群的分子偶极矩为0 上述判据的物理基础是由于偶极矩是分子的静态性质 这种静态性质的特点是它在分子所属的点群的每一个对称操作下 其大小和方向必须保持不变 因此 偶极矩矢量必须坐落在每一对称元素上 由此可见 具有对称中心的分子不可能由偶极矩 因为处在点上的矢量其大小为0 分子的偶极矩和分子结构关系的应用举例 4 4 2分子的诱导偶极矩和极化率 Induceddipolemomentsandinducedpolarizability 前面讲的是永久偶极矩 它是分子本身固有的性质 与是否由外加电场无关 当没有外电场时 由于热运动 分子取向机遇 大量分子的平均偶极矩为0 在电场中 分子产生诱导极化 它包括两部分 i 电子极化 由电子与核产生的相对位移引起 ii 原子极化 由原子核间产生相对位移 即键长键角改变引起 定义 诱导极化 又称变形极化 对于极性分子还有定向极化 它是由于在电场中永久偶极矩转到与电场方向反平行的趋势 出现择优取向所引起 诱导极化产生诱导偶极矩 诱 即 E为物体内部分子直接感受到的电场强度 称为分子的极化率 其因次为 极化率 和摩尔折射度 molarrefractivity R有关 在光的电磁场作用下 测定物质的折光率 n 可求得摩尔折射度 式中M为摩尔质量 d为物质的密度 R主要反映电子极化率 因为光的频率很高 分子定向变化跟不上高频光的电场的变化 而原子极化只占诱导极化中很少的一部分 可以忽略 摩尔折射度和极化率成正比 按Lorenz Lorentz 劳伦斯 劳伦兹 方程 可得 NA为Avogadro常数 0为真空的介电常数 由此式可得 离子对分子的极化效应 4 5分子的手性和旋光性 chirality orhandedness 具有旋光性的分子 其特点是分子本身和它的镜像只有对映关系而不完全相同 是等同而非全同的图形 所谓等同 是指这个图形的每一点在对映图形中必可找到一个相当点 这个图形中任意两点间的距离等于对映图形中两个相当点间的距离 所谓非全同 是指不能通过平移或转动等第一类对称操作使两个图形叠合 一对等同而非全同的分子 构成一对对映体 称为旋光异构体 如同人的左右手一样 这种没有第二类对称元素的分子称为手性分子 两种对映的手性分子常用记号R和S或D和L来区分 1 含有不对称碳原子 或氮原子 的化合物 手性分子的一些特征