Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ELEKTRIČNE OSOBINE
ELEKTRIČNE OSOBINE
• Nepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
Električne osobine atoma i molekula
uslovljavaju:
• pojavu dvojnog prelamanja svetlosti
• pojavu polarizacije rasejane svetlosti
• dielektrične osobine
• međumolekulske interakcije
• pravila izbora u spektroskopiji
Objašnjavaju se korišćenjem jednostavnih atomskih i
molekulskih modela.
ELEKTRIČNE OSOBINE
• Nepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
ATOM I ELEKTRIČNO POLJE
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
van električnog polja u električnom polju
POLARNI I NEPOLARNI MOLEKULI
nepolarni molekuli
centri + i – naelektrisanja
se poklapaju
polarni molekuli
centri + i – nalektrisanja
na izvesnom rastojanju
(dipolni momenat)
DIPOLNI MOMENTI
Polarnost molekula se izražava dipolnim momentom p:
Tipično, q je naelektrisanje elektrona 1,602·10-19 C, r je reda
1 Å = 1·10-10 m, dajući p = 1,602·10-29 Cm.
“Konvencionalna” jedinica za dipolni momenat je debaj:
1 D = 3,336·10-30 Cm
rqp
-q +q r
p
ELEKTRONEGATIVNOST
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
Dipolni momenti nastaju usled razlike u elektronegativnosti
atoma vezanih hemijskom vezom, tako da je moguće
svakoj vezi pripisati određeni dipolni momenat.
Ukupni momenat molekula je vektorska suma momenata
svih veza.
veza H-O H-N H-C C-Cl C-O C=O C-N CN
p / D 1,5 1,3 0,4 1,5 0,8 2,5 0,5 3.5
PRIMERI NEPOLARNIH MOLEKULA
Imaju rotacionu i ogledalsku simetriju.
PRIMERI POLARNIH MOLEKULA
Izgubili nešto od rotacione i ogledalske simetrije!
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
DIPOLNI MOMENTI
I PARCIJALNA NAELEKTRISANJA
i
iix xqp
222
zyx pppp pzp
yp
xp
Dp 2,3
ELEKTRIČNE OSOBINE
• Nepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
POLARIZACIJA MOLEKULA
Kod nepolarnih molekula, spoljašnje električno polje izaziva
razdvajanje centara + i – naeletrisanja i indukovanje dipola, koji
se orijentišu pod dejstvom polja.
Jezgra su suviše teška distorzija elektronskog oblaka.
POLARIZACIJA NEPOLARNIH MOLEKULA
Kada se nepolaran, izolovan molekul nađe
u spoljašnjem polju jačine F, u njemu se
indukuje dipol pi:
Polarizabilnost - sposobnost indukovanja dipolnog momenta u
molekulu koji je izložen dejstvu električnog polja. Jedinica:
Fpi
J
mC
mJ
mC
N
mC
CN
Cm 2222
//
POLARIZABILNOST
Polje duž z-ose može indukovati
dipol sa komponentama duž x i y osa.
Kod neizotropnih sredina polarizabilnost
zavisi od pravca dejstva polja.
Srednja polarizabilnost: zzyyxx
3
1
ZAPREMINSKA POLARIZABILNOST
Zapreminska polarizabilnost :
ima jedinicu zapremine m3, a njena vrednost je reda veličine
zapremine molekula.
Permitivnost vakuuma 0=8,854·10-12F/m.
04'
ELEKTRONSKA POLARIZABILNOST
He 0.20
H2O 1.45
O2 1.60
CO 1.95
NH3 2.3
CO2 2.6
Xe 4.0
CHCl3 8.2
CCl4 10.5 najveća
najmanja
jedinice:
(4o)10-30 m3
=1.11 x 10-40 C2m2J-1
p I RAZLIČITIH SUPSTANCIJA
Supstancija p / D ·1024 cm3
He 0,00 0,20
H2 0,00 0,82
N2 0,00 1,77
HCl 1,08 2,63
NH3 1,47 2,22
H2O 1,85 1,48
CH4 0,00 2,60
CH3Cl 1,01 4,53
CH2Cl2 1,57 6,80
CHCl3 1,01 8,50
CCl4 0,00 10,50
RELATIVNA PERMITIVNOST
Kada su naelektrisanja q1 i q2 na rastojanju r u vakuumu,
potencijalna energija interakcije iznosi:
Kada su ista naelektrisanja uronjena u neku sredinu, njihova
potencijalna energija se smanjuje:
gde je permitivnost sredine.
r
qqV 21
04
1
r
qqV 21
4
1
RELATIVNA PERMITIVNOST
Relativna permitivnost (dielektrična konstanta) sredine:
Relativna permitivnost supstancije se meri poređenjem
kapaciteta kondenzatora sa i bez date sredine:
r ima veliku vrednost ako su molekuli sredine polarni i visoko
polarizabilni.
0
r
0C
Cr
RELATIVNA PERMITIVNOST
r ima značajan uticaj na interakciju između jona u rastvoru.
Primer: r vode iznosi 75 na 25C, pa se energija Kulonove
iInterakcije smanjuje za blizu dva reda veličine u vodi u
odnosu na vrednost u vakuumu.
r ima veliku vrednost ako su molekuli sredine polarni i
visoko polarizabilni.
POLARIZACIJA NEPOLARNIH MOLEKULA
E0 – jačina polja u vakuumu kada je
površinsko naelektrisanje na pločama
kondenzatora .
E=E0/r – jačina polja u dielektriku
P/0 – jačina polja indukovanih dipola
dielektrika
P – polarizacija
POLARIZACIJA NEPOLARNIH MOLEKULA
P – polarizacija predstavlja
gustinu indukovanih dipola
pi – srednji indukovani dipolni
moment
N – broj molekula u jedinici
zapremine
NpP i
POLARIZACIJA NEPOLARNIH MOLEKULA
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
PEE
00
03
PPEF
-
-
+
+
E0 - jačina polja u vakuumu
P/ 0 - jačina polja dijelektrika
P/(3 0) - jačina polja na površini sfere
10
00
0
r
r
EP
PE
PEE
3
)2(
3
)1(
3 00
rr
o
EEE
PPEF
Lokalno polje F koje deluje na svaki molekul:
3
)2(
/
rA
i
E
M
NFNNpP
POLARIZACIJA
10 rEP
)1(3
)2(
/0
r
rA EE
M
N
A
r
rm N
MP
03
1
2
1
MOZOTI-KLAUZIJUSOVA JEDNAČINA
Pm – molarna polarizacija nepolarne sredine [m3/mol]
Indukovana (distorziona polarizacija) PD.
'3
4
3
1
2
1
0
AA
r
r
m NNM
P
AED PPP
03
EAE
NP
03
AAA
NP
elektronska
polarizacija
atomska
polarizacija
PRIRODA SVETLOSTI
Svetlost je elektromagnetni
talas sa brzinom:
Električna komponenta elektromagnetnog zračenja
interaguje elektrostatički sa elektronima atoma i molekula
sredine kroz koju svetlost prolazi.
smc /1031 8
00
INTERAKCIJA SVETLOST – MATERIJA
Maksvelova elektromagnetna teorija
Da bi došlo do pomeranja jezgara (uvijanja ili istezanja veza u
molekulu) potrebna su polja manjih (odn. većih ) kada
identičnost između refrakcije i polarizacije važi.
Am NM
n
nP
0
2
2
3
1
2
1
2
nr
RPm
INDUKOVANA I DISTORZIONA POLARIZACIJA
EEAED PPPPP 05,0
iz indeksa prelamanja
primenom vidljive svetlosti
M
n
nPE
2
12
2
3
2
2
3
4'
3
4
2
1rNN
M
n
nP AAm
Merenjem n određuju se , , r polarnih i nepolarnih molekula.
Merenjem r određuje se r nepolarnih molekula.
POLARIZACIJA I REFRAKCIJA
PE se meri preko n idređenog vidljivom svetlošću
refrakcije veza i elektronskih grupa se izražavaju iz ekvivalenata
refrakcije:
HCCHHC RRRR 4
1
4
14
CHCHCHCHCCC RRRRRRRR2
16
2
3626
62
REFRAKCIJA JONA
Molarna refrakcija (samim tim i polarizacija) je aditivna veličina
za jedinjenja sa kovalentnim vezama, ali ne i za jedinjenja sa
jonskim vezama.
sba
XeKree
IBrlF
RRRRR
RRRRR
RRRR
CRKNLi
ArNH
CA:
N:
K:
ELEKTRIČNE OSOBINE
• Nepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Polarni molekuli zbog sastava
i geometrije imaju nesimetričnu
raspodelu naelektrisanja i
permanentni dipolni momenat.
van polja haotična raspodela dipola nema doprinosa ukupnoj
polarizaciji
u spoljašnjem polju dipoli orjentacionom polarizacijom (PO)
doprinose ukupnoj polarizaciji (zavisnost od F, p, T)
OD PPP
Spoljašnje polje može delimično orijentisati dipole:
doprinoseći ukupnoj polarizaciji sredine orijentacionom
polarizacijom PO.
Energija dipola p u električnom polju jačine F:
je ugao između vektora p i F.
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
F
cospFU
-
+
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Deo od ukupnog broja molekula čije ose dipola zaklapaju uglove
između i +d, a koji su obuhvaćeni prostornim uglom d:
Uključivanjem polja jačine F deo molekula koji se orijentiše u
pravcu polja u meri u kojoj to dozvoljava srednja energija
termalnog kretanja:
p cos +
-
F
d
sinp
dAAddN sin2
dAedAedN kTpFkTU
F sin2/cos/
Ukupan broj molekula čija orijentacija u spoljašnjem polju
doprinosi polarizaciji sredine:
Momenat u pravcu polja:
Srednji moment kojim polarni molekuli doprinose polarizaciji
0
/cos )sin2( dAeN kTpF
F
F
F
N
pp
dpAepdNp kTpF
FF coscos /cos
0
/cos )sin2(cos dpAep kTpF
F
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Srednji moment kojim polarni molekuli doprinose polarizaciji
Lanževenova funkcija: L(a) = f(a)
cos
/ akTpF
1
1
1
1
de
depp
a
a
)(1
aLaee
ee
p
paa
aa
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
p /pst
a=pF/kT
zasi}enje
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
razvijanje izraza ea u red:
zadržavanje prva dva člana razvoja:
32
!3
1
!2
11 aaaea
,3
2
2
11
1
1
1
2 adea
21
1
1
1
dea
kT
pFa
p
p
33
1
kT
Fpp
3
2
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Ukupni dipolni momenat usled prisustva sopstvenih permanentnih
dipola i usled indukcije:
Ukupna polarizacija:
Debajeva jednačina:
kT
pFpp
3
2
M
kT
pNPPP
r
rAODm
2
1
33
2
0
T
baPm
k
pNb
Na AA
0
2
0 93
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Debajeva jednačina je bila prvi izraz koji je povezao molekulski
parametar (dipolni momenat) ispitivane supstancije sa
fenomenološkim (makroskopskim) parametrom koji se može
eksperimentalno meriti (električnom permitivnošću).
Molarna polarizacija supstancije na datoj temperaturi je
konstantna, nezavisna od pritiska i ista joj je vrednost u tečnom i
gasovitom stanju.
M
kT
pNPPP
r
rAODm
2
1
33
2
0
ODREĐIVANJE DIPOLNIH MOMENATA
1) Grafičkim putem. Pm se određuje merenjem r.
Odsečak je merilo , a nagib p.
CH4
CCl4
CHCl3
CH Cl2 2
CH Cl3
tg =b
1/T
P
a=
N3
A
kT
pNP A
m33
2
0
ODREĐIVANJE DIPOLNIH MOMENATA
2) Određivanjem Pm iz r i PD iz n na datoj temeraturi:
3) Iz mikrotalasnih i radiofrekventnih spektara, koji obično
predstavljaju rotacione (ređe rotaciono-vibracione)
spektre.
mCTPPDTPPp DD 3210)(27.4)(0128,0
ODREĐIVANJE DIPOLNIH MOMENATA
4) Metodom razblaženja.
P1 – polarizacija nepolarnog rastvarača
P2 – polarizacija polarne rastvorene supstancije
P1 i P1,2 se odrežuju iz r, P2 se izračunava.
Grafik P2 = f(x2).
22112,1 PxPxP
2211
2,1 2
1 MxMxP
r
r
POLARIZACIJA ZAVISI OD FREKVENCIJE