分子间的相互作用ppt课件

分子间的相互作用,分子间的相互作用,风暴石欢迎学化物理方向的同学讨论交流2011-3-1,分子间的相互作用,分子的相互作用,分子的电性质1.电偶极矩2.极化3.相对介电常数分子间的相互作用1.偶极作用2.排斥力和总作用力气体和液体1.气体分子作用2.液-气界面3.冷凝,分子间的相互作用,分子的电性质,电偶极矩一个电偶极子包括一对相距为R的+q和-q的电荷。=qR,单位Cm或德拜D1D=3.3356410-30Cm,分子间的相互作用,a.极性分子极性分子是有着永久电偶极矩的分子。当施加一个电场时，非极性分子会产生诱导偶极矩，这个偶极矩是暂时的，电场消失后偶极矩也消失。所有异核的双原子分子都是极性分子。分子对称性在极性方面有着重要影响。O3是极性分子，CO2是非极性的。近似的计算可以把极性分子中的偶极矩进行矢量分解加和，如果偶极矩相互抵消则分子不显极性。,分子间的相互作用,计算方法：x=qjxj这里qj是原子J的局部电荷，xj是原子J的x轴坐标，对分子中所有原子进行求和。同理可求出y轴z轴的电偶极矩，进行叠加。b.极化作用样品的电偶极矩密度称为极化量，用P表示，等于分子的平均电偶极矩乘以数量的密度。无电场时各向同性的流体极化量为0，因为分子随机取向，为0，施加电场后有=2E/3kT,分子间的相互作用,极化率,一个施加的电场可以扭曲分子，使它的电偶极矩重排。诱导偶极矩：=E，为分子的极化率，E为电场强度。a.极化体积由于极化率的单位C2m2J-1较为复杂，通常用极化体积来表示极化率，换算关系为=/40，0为真空介电常数。对大多数分子来说，极化体积是各向异性的。,分子间的相互作用,b.高频电场下的极化作用当施加的电场缓慢变化时，永久偶极矩有时间进行重新取向，整个分子转到新的方向；当电场处于高频时，分子的方向无法跟上电场方向的变化；同样分子的弯曲变化也无法跟上电场方向的变化。在高频变化的电场下，取向偶极矩和扭曲偶极矩都不再对分子的极化起作用。此时只有电子的速度可以与电场同步变化，对于分子极化率有贡献的极化率被称为电子极化率。,分子间的相互作用,相对介电常数,真空中相距为r的带电量为q1，q2的两电荷的势能为V=q1q2/40r当两个相同的电荷处于某种介质中时，有V=q1q2/4r为介质的介电常数相对介电常数r=/0,分子间的相互作用,相对介电常数的应用相对介电常数和分子的电学性质的数量关系有德拜方程表示：(r-1)/(r+2)=Pm/M是样品的质量密度，M是相对分子质量，Pm是摩尔极化量。由其定义式Pm=NA(+2/3kT)/30推出克劳修斯-莫索蒂方程(r-1)/(r+2)=NA/3M0当无永久电偶极矩对极化量的贡献时使用此方程。在特殊波长时相对介电常数与折射率关系nr=r1/2,可以通过此关系测量Pm和。,分子间的相互作用,分子间相互作用,偶极间的作用相互作用的点偶极子1和点电荷q2之间的势能V=-1q2/40r2,1=q1l当lm,第一项代表斥力，第二项代表吸引力。,分子间的相互作用,当n=12，m=6为特殊情况，被称为Lennard-Jones势能：V=4(r0/r)12-(r0/r)6为势阱深，r0为V=0时的距离。随着原子力显微镜的出现，一个分子尺度的探针和物质表面的力可以测量，使得分子间作用力的直接测量变得可能。根据两个单独分子间Lennard-Jones势能可得：F=242(r0/r)13-(r0/r)7/r0,分子间的相互作用,气体和液体,结构最无序的状态为气态。理想气体的分子无分子间作用力，分布完全随机。实际气体中分子之间存在微弱的引力和斥力，对分子的相对位置有很小的影响。气体分子间的引力使得气体在低温时能凝结为液体；而分子接近后斥力其主要作用所以液体和固体有一定的体积，不是聚集成一个很小的点。,分子间的相互作用,气体分子的相互作用,气体分子的相互作用通过分子束来研究。分子束是指一束在真空管道中平行前进的狭窄分子流，这束分子被引导撞击其他分子，发生的散射与分子间相互作用有关可供研究。分子束实验的最重要的实验信息来源于向一个特定方向撞击的入射分子流中的分子碎片。分子碎片被散射为一个锥形的速率由dI表示。,分子间的相互作用,这个速率由微分散射截面，即dI的值与分子束强度I的比值；目标分子的数量密度，N；样品微分路径长度，dx计算得到：dI=INdx的值取决于碰撞参数b和分子间势能的具体情况。b是碰撞的分子路径的垂直距离。实际分子的碰撞不是硬球模型，它受到分子间势能的具体情况的影响，分子的各向异性也会起作用。两个碰撞分子的相对速度也有影响，速度快的分子偏转角度较小。由分子相对速度不同导致的散射截面的变化可以给出分子间势能的强度和范围的信息。,分子间的相互作用,更深入的研究指出碰撞的结果由量子力学决定，而不是经典力学。粒子的波动性要纳入考虑范畴。两种量子力学效应起了重要影响。某一粒子可能被靶分子吸引后再排斥进入散射锥，而与另外的由于b较大而未发生偏转的粒子发生干扰，使得两粒子的路径产生干扰，前进方向上的产生改变。这种现象称为量子振荡。另一种量子现象是非前进方向上的散射增强。随碰撞参数的减小，散射角的增大和路径间的干扰会产生强烈散射的分子束。这种现象称为为彩虹散射。还有一种现象是不同分子间的捕获，这是因为范德瓦尔斯力和氢键的作用。,分子间的相互作用,液-气界面,a.表面张力液体趋向于收缩表面使得最大数目的分子处于液体内部受到临近分子的包围和吸引。改变表面积，所需做功为dw=d,称为表面张力，单位N/m或Jm-2。定温定容下表面形成功写成dA=d。,分子间的相互作用,b.弯曲液面液体表面的收缩导致形成弯曲液面。表面凹进一边的压力Pin总比凸出一边的压力Pout大,有拉普拉斯方程：Pin=Pout+2/rc.毛细作用毛细作用液体在毛细管中上升的趋势，是表面张力作用的结果。设液柱上升高度为h，管径为r，假设液面成半球形则有：h=2/gr,分子间的相互作用,当液体内部的粘合力大于液体与管壁的粘合力（如玻璃管中的水银），毛细管内液面下降。大多情况下弯月面与管壁成角C，如果固-气，固-液，和液-气的表面张力为sg,sl,lg,有sg=sl+lgcosCcosC=(sg-sl)/lg将液体对固体的表面吸附功记为wad=sg+lg-sl,分子间的相互作用,cosC=wad/lg-1，可以看出，当液体浸润表面，有0C90，1wad/lg2；当液体不浸润表面有90C180，0wad/lg1。,分子间的相互作用,冷凝,表面张力影响了弯曲液面的表面蒸气压，有开尔文公