Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ELEKTRIČNE OSOBINEELEKTRIČNE OSOBINE
ELEKTRIČNE OSOBINELEKTRIČNE OSOBINEE
• Nepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
ElektričneElektrične osobineosobine atomaatoma ii molekulamolekula
uslovljavajuuslovljavaju::
• 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 OSOBINELEKTRIČNE OSOBINEE
•• Nepolarni i polarni molekuliNepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
ATOM ATOM II ELEKTRIČNO POLJELEKTRIČNO POLJEE
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
van električnog polja u električnom polju
POLARNI I NEPOLARNI MOLEKULIPOLARNI I NEPOLARNI MOLEKULI
nepolarninepolarni molekulimolekuli
centri + i – naelektrisanja
se poklapaju
polarni molekuli
centri + i – nalektrisanja
na izvesnom rastojanju
(dipolni momenat)
DIPOLNI MOMENTIDIPOLNI 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
ELEKTRONEGATIVNOSTELEKTRONEGATIVNOST
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULADIPOLNI 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 MOLEKULAPRIMERI NEPOLARNIH MOLEKULA
Imaju rotacionu i ogledalsku simetriju.
PRIMERI POLARNIH MOLEKULAPRIMERI POLARNIH MOLEKULA
Izgubili nešto od rotacione i ogledalske simetrije!
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULADIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULADIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
DIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULADIPOLNI MOMENTI VEZA I MOLEKULA
DIPOLNI MOMENTI DIPOLNI MOMENTI
II PARCIJALNA NAELEKTRISANJAPARCIJALNA NAELEKTRISANJA
i
iix xqp
222
zyx pppp pzp
yp
xp
Dp 2,3
ELEKTRIČNE OSOBINELEKTRIČNE OSOBINEE
• Nepolarni i polarni molekuli
•• Polarizacija nepolarnih molekulaPolarizacija nepolarnih molekula
• Polarizacija polarnih molekula
POLARIZACIJA MOLEKULAPOLARIZACIJA 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA 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
//
POLARIZABILNOSTPOLARIZABILNOST
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
POLARIZABILNOSTPOLARIZABILNOST
Da bi se izračunala polarizabilnsot, koristi se perturbaciona
teorija, kojom se dobija
p – fluktuacija dipolnog momenta
E – srednja vrednost energije pobuđivanja
E
p
3
2 2
ZAVISNOST ZAVISNOST OD VELIČINE MOLEKULAOD VELIČINE MOLEKULA
Za atom sa jednim elektronom, p=-er:
Pretpostvka: energija jonizacije I potencijalnoj energiji
elektrona na rastojanju R od jezgra:
raste sa veličinom molekula i lakoćom kojom se on pobudi
(jonizuje)
I
Re
E
Re
E
re
E
p aa
2222222
3
2
3
2
3
2
3
0
0
2
22
44/
a
a
a RRe
Re
ZAPREMINSKA ZAPREMINSKA POLARIZABILNOSTPOLARIZABILNOST
Zapreminska polarizabilnost :
ima jedinicu zapremine m3, a njena vrednost je reda veličine
zapremine molekula.
Permitivnost vakuuma 0=8,854·10-12F/m.
04'
ELEKTRONSKA POLARIZABILNOSTELEKTRONSKA 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
pp I I RAZLIČITIH SUPSTANCIJARAZLIČITIH 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 PERMITIVNOSTRELATIVNA 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 PERMITIVNOSTRELATIVNA 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 PERMITIVNOSTRELATIVNA PERMITIVNOST
r ima značajan uticaj na interakciju između jona u rastvoru.
PrimerPrimer: 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA NEPOLARNIH MOLEKULA
P – polarizacija predstavlja
gustinu indukovanih dipola
pi – srednji indukovani dipolni
moment
N – broj molekula u jedinici
zapremine
NpP i
POLARIZACIJA NEPOLARNIH MOLEKULAPOLARIZACIJA 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
00
0
PE
PEE r
3
)2(
3
)1(
3 00
rr
o
EEE
PPEF
Lokalno polje F koje deluje na svaki molekul:
3
)1(
3
)2(
3
1
3
1
3 000
rrA
i
EE
M
NNp
P
Indukovano polje na površini šuplje sfere:
POLARIZACIJAPOLARIZACIJA
10
00
0 rr EPP
EP
EE
3
2)1(
3
2
3
2
3 000
r
rrro EEEP
EPP
EF
/M
NF
V
NFNpP A
m
Ai
/3
2
M
NEP Ar
1/3
20
r
Ar EM
NE
MOZOTIMOZOTI--KLAUZIJUSOVAKLAUZIJUSOVA 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 SVETLOSTIPRIRODA 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 INTERAKCIJA SVETLOST –– MATERIJAMATERIJA
Mnoge električne i optiče osobine materije, podaci o
vezivanjima, sastavu i dr. dobijaju se na osnovu spektroskopije,
tj. interakcije elektromagnetnog zračenja sa materijom.
Polazeći od Maksvelove elektromagnetne teorije:
Da bi došlo do deformacije 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 POLARIZACIJAINDUKOVANA 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 Pm, , , r polarnih i nepolarnih
molekula.
Merenjem određuje se r nepolarnih molekula, za koje važi
Maksvelova relacija.
POLARIZACIJA I REFRAKCIJAPOLARIZACIJA 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
REFRAKCIJAREFRAKCIJA JONAJONA
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 OSOBINELEKTRIČNE OSOBINEE
• Nepolarni i polarni molekuli
• Polarizacija nepolarnih molekula
•• Polarizacija polarnih molekulaPolarizacija polarnih molekula
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULAPOLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Polarni molekuli zbog sastava
i geometrije imaju nesimetričnu
raspodelu naelektrisanja i
permanentni dipolni moment
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 MOLEKULAPOLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Deo od ukupnog broja molekula čije ose dipola zaklapaju uglove
između i +d, a koji su obuhvaćeni prostornim uglom d:
Uključivanje polje 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
POLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULAPOLARIZACIJA 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Ukupni dipolni moment 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 MOLEKULAPOLARIZACIJA POLARNIH MOLEKULA
Debajeva jednačina je bila prvi izraz koji je povezao molekulski
parametar (dipolnidipolni momenatmomenat) ispitivane supstancije sa
fenomenološkim (makroskopskim) parametrom koji se može
eksperimentalno meriti (električnomelektričnom permitivnošćupermitivnošću).
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 MOMENATAODREĐIVANJE DIPOLNIH MOMENATA
1) Grafičkim putem. Pm se određuje merenjem .
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 MOMENATAODREĐIVANJE DIPOLNIH MOMENATA
2) Određivanjem Pm iz 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 MOMENATAODREĐIVANJE 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 FREKVENCIJEPOLARIZACIJA ZAVISI OD FREKVENCIJE