ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Полярные и неполярные молекулы. Дипольный момент и симметрия молекул из "Строение молекул" Дипольный момент электронейтральной статической системы точечных зарядов. Можно дать два эквивалентных определения понятия электрического дипольного момента для электронейтральной системы точечных зарядов. [c.234] Здесь — заряды ядер —1—заряд электрона в атомной системе единиц — радиусы-векторы ядер -К — электронов. [c.236] Этот результат можно было получить и применяя оператор дипольного момента в форме (XX, 5). [c.237] Если молекула рассматривается не при фиксированной конфигурации ядер, а в некотором состоянии колебаний ядер, то очевидно, что в выражении (XX, 13) будет радиусом-вектором центра положительных, а — центра отрицательных зарядов в рассматриваемом колебательном состоянии молекулы. Дипольный момент Не при равновесной конфигурации ядер мы будем называть собственным дипольным моментом молекулы. В настоящем разделе мы будем рассматривать дипольные моменты молекул либо при равновесной конфигурации ядер Це, либо в колебательном состоянии, наиболее низком по энергии ц[о]. Значения момента в этих состояниях, как правило, лишь немного различаются. В настоящем разделе мы не будем делать различия между этими моментами и будем называть собственным моментом молекулы момент Це ИЛИ Ы[о]. [c.237] Размерность, единицы измерения. Размерность электрического дипольного момента, очевидно [заряд] [длина]. Обычно применяемой единицей измерения абсолютной величины (модуля) дипольного момента молекул является дебай (10). Один дебай есть модуль момента такого диполя, у которого абсолютная величина положительного и отрицательного зарядов равна 10 ° единиц СГСЭ, а расстояние между ними 10 см (т. е. 1А). Таким образом, 1 О равен Ю единиц дипольного момента СГСЭ. Атомная единица дипольного момента соответствует модулю момента двух зарядов разных знаков, равных по абсолютной величине 4,803-10 ° СГСЭ, находящихся на расстоянии 0,529-10 см. Одна атомная единица (а.е.) дипольного момента равна 2,54-10 единиц СГСЭ или 2,54 О. Единицей СИ для измерения модуля электрического дипольного момента является кулон X метр (1Кл-м). Эта единица составляет 3-10 О. Она неудобна для измерения дипольных моментов молекул и практически не применяется. [c.237] Понятие дипольного моменга молекулы позволяет разделить все молекулы на два класса, существенно отличающихся по характеру распределения положительных и отрицательных электрических зарядов в молекуле, а следовательно, и по их электрическим свойствам. [c.237] Если центры положительных и отрицательных зарядов в молекуле совпадают для равновесной конфигурации ядер, то молекула при равновесной конфигурации ядер не обладает свойствами электрического диполя (собственный дипольный момент молекулы равен нулю). Такие молекулы называются неполярными. К ним относятся, например, следующие Нг, ВРз, СН4, PF5, SFe и многие другие. [c.238] Отсутствие собственного дипольного момента (це = 0) для молекулы может являться следствием двух причин. Оно может быть неизбежным следствием симметрии молекулы (т. е. симметрии ее равновесной ядерной конфигурации) или оно может быть результатом случайной (т. е. не связанной с симметрией равновесной конфигурации молекулы) взаимной компенсации отдельных неравномерностей в распределении положительных и отрицательных зарядов в молекуле. Наиболее важным является первый случай, когда из симметрии молекулы неизбежно следует равенство нулю ее собственного дипольного момента. Во втором случае равенство наблюдаемого собственного дипольного момента нулю (в пределах точности измерений) является следствием ограниченной точности современных методов определения дипольных моментов молекулы. Ниже мы остановимся поэтому только на тех случаях, когда молекула оказывается неполярной вследствие ее симметрии. [c.238] Как было указано выше (см. гл. XVII), для равновесной конфигурации каждой молекулы существует определенная группа операций симметрии, при которых молекула, а следовательно, и все характеризующие ее величины не должны изменяться. Если данная физическая величина имеет векторный характер, как это имеет место для собственного дипольного момента, то эта величина при операциях симметрии не должна изменять ни своего абсолютного значения (модуля), ни своего направления в пространстве. [c.238] Основываясь на этом положении и рассматривая операции симметрии, которые допускает равновесная конфигурация молекулы, можно установить, может ли молекула быть полярной, т. е. иметь собственный дипольный момент, отличный от нуля, и как он может быть направлен по отношению к равновесной конфигурации ядер. Мы поясним кратко те правила, которые здесь могут быть использованы, и иллюстрируем их на примере некоторых конкретных молекул. [c.238] Ось с и м м ет р и и С . Если м( леку-ла имеет ось симметрии, то при повороте вокруг этой оси дипольный момент не должен менять ни своей абсолютной величины, ни своего направления в пространстве. Это возможно только, если дипольный момент направлен вдоль этой оси (рис. 42,а). Если он был бы направлен под углом к оси симметрии, то при повороте вокруг оси, он изменил бы свое направление в пространстве (рис. [c.239] Центр симметрии г. Если молекула имеет центр симметрии, то при отражении в центре симметрии дипольный момент не должен изменять ни своей абсолютной величины, ни своего направления в пространстве. Это возможно только, если дипольный момент равен нулю. Действительно, если дипольный момент не был бы равен нулю, то, как легко видеть (рис. 43), он изменял бы свое направление при отражении в центре на обратное. [c.239] Зеркально-поворотная ось симметрии S . Если молекула имеет зеркально-поворотную ось симметрии четного порядка , то из соображений, аналогичных приведенным выше, легко установить, что дипольный момент молекулы должен быть равен нулю, так как иначе он менял бы свое направление при операции симметрии. [c.239] Применим указанные правила к молекулам различного строения, основываясь на тех сведениях об их геометрической конфигурации и ее симметрии, которые были изложены в гл. XVII. [c.239] Вопрос о полярности молекул другого строения решается аналогично. Очевидно, что, зная равновесную геометрическую конфигурацию молекулы или только элементы симметрии геометрической конфигурации, можно решить вопрос о том, может ли молекула быть полярной или она неполярна, и если дипольный момент может быть отличен от нуля, то как расположена ось, вдоль которой он может быть направлен по отношению к равновесной конфигурации ядер. [c.241] Направление стрелки момента вдоль оси, т. е. относительно равновесной конфигурации ядер, не может быть установлено из каких-либо простых соображений. Этот вопрос может быть решен из экспериментальных измерений эффекта Штарка во вращательных спектрах молекул или путем квантовомеханического расчета. [c.241] Очевидно, может быть поставлен и в ряде случаев решен вопрос об установлении возможной симметрии геометрической конфигурации молекулы на основании измеренного экспериментально значения дипольного момента. Поясним это на двух примерах. Если для молекулы ЭХз известно, что ее дипольный момент равен нулю, то, очевидно, что из двух возможных геометрических конфигураций молекул ЭХз (плоской и пирахмидальной) данная молекула имеет плоскую конфигурацию. Если нам известно, что дипольный момент молекулы ЭХг отличен от нуля, то из двух возможных геометрических конфигураций для молекул ЭХ2 (линейной и нелинейной) данная молекула имеет нелинейную (или несимметричную линейную) конфигурацию, так как только для таких конфигураций дипольный момент может отличаться от нуля. В других случаях аналогичные рассуждения могут в той или другой мере решить вопрос о возможной симметрии геометрической конфигурации на основании известной величины дипольного момента. [c.241] Таким образом, измерения дипольных моментов молекул могут служить для идентификации цис- или транс-изомерных молекул. [c.243] Вернуться к основной статье