分子间的相互作用.ppt

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1、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。μ=qR,单位Cm或德拜D1D=3.33564×10-30Cma.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

2、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。计算方法：μx=Σqjxj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<μ>乘以数量的密度Ν。无电场时各向同性的流体极化量为0，因为分子随机取向，<μ>为0，施加电场后有<μz>=μ2E/3kT极化率一个施加的电场可以扭曲分子，使它的电偶极矩重

3、排。诱导偶极矩：μ=αE，α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α’来表示极化率α，换算关系为α‘=α/4πε0，ε0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。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，

4、对于分子极化率有贡献的极化率被称为电子极化率。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=q1q2/4πε0r当两个相同的电荷处于某种介质中时，有V=q1q2/4πεrε为介质的介电常数相对介电常数εr=ε/ε0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：(εr-1)/(εr+2)=ρPm/Mρ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(α+μ2/3kT)/3ε0推出克劳修斯-莫索蒂方程(εr-1)/(εr+2)=ρNAα/3Mε0当无永久电偶极矩对

5、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=εr1/2,可以通过此关系测量Pm和α。分子间相互作用偶极间的作用相互作用的点偶极子μ1和点电荷q2之间的势能V=-μ1q2/4πε0r2,μ1=q1l当l<

6、增加而减弱的速度比点电荷快。偶极-偶极作用两个极性分子间相互作用的势能是一个复杂的函数，与两个分子的取向有关。两个自由转动的偶极子之间相互作用的势能为零，然而它们共有的势能与相对取向有关，实际上分子不能完全自由的转动。取向的势能越低越稳定，极性分子间平均作用不为零。两个相距为r的转动分子的平均势能为=-C/r6,C=2μ12μ22/3(4πε0)2kT这个表达式称为Keesom作用，是范德瓦尔斯作用的第一个来源。偶极-诱导偶极作用一个偶极矩为μ1的极性分子可以诱导临近的极化分子产生μ2的偶极子。诱导产生的偶极子与第一个分子的

7、永久偶极子相互作用，两者相互吸引。相距为r的分子的平均相互作用能为V=-C/r6,C=μ12α2’/4πε0α2’是分子2的极化体积，μ1是分子1的永久偶极矩。偶极-诱导偶极作用不受温度影响。诱导偶极-诱导偶极作用非极性分子即使都不含有永久偶极矩也会相互吸引，明显的证据是非极性物质可以形成凝聚相，如氢在低温时的液化，而苯在常温就以液态存在。非极性分子间的相互作用来源于电子瞬间位置变动产生的瞬时偶极。这种作用叫做色散力或伦敦力。极性分子也有瞬时偶极，也会受到色散力的作用。近似的计算色散力用到伦敦公式：V=-C/r6,C=3α1’α2

8、’I1I2/2(I1+I2)I1和I2是两分子的电离能。色散力是范德瓦尔斯力的第三个来源。分子间除了氢键外色散力起主导作用。氢键氢键是类似与A-H……B结构中的吸引作用，其中A和B是高电负性元素且B含有孤对电子，一般氢键限于N,O和F，但B有时可以