Електричні властивості молекул. Поведінка речовини в зовнішньому електричному полі (стр. 3 из 4)
Величина, на яку зміниться напруга поля під дією дипольних моментів молекул, може бути визначена діелектричною проникністю ε. Відомо, що якщо речовина знаходиться в зовнішньому електричному полі, то вона характеризується вектором електричної індукції
: 
, (4)
– діелектрична проникність, яка характеризує властивості речовини.Існує цілий розділ фізики, головним завданням якої є знаходження аналітичного зв’язку між макроскопічною характеристикою речовини (
) і мікроскопічними характеристиками α і μ. Ці формули мають велике значення, тому що можна легко виміряти експериментально, а через неї визначити α і μ.Вся трудність теорії полягає в тому, щоб визначити величину внутрішнього поля, для цього необхідно знати як розміщені молекули одна відносно другої і як вони взаємодіють між собою. Для визначення внутрішнього поля використовують різні моделі, тобто наперед задають розміщення молекул і їх взаємодію. Найпростіша модель – це модель Дебая і Лоренца, згідно якої молекули речовини знаходяться в стані хаосу і не взаємодіють між собою. В цьому випадку
Е¢ = Е +
. (5)Тоді в (3) підставимо Е¢ із (5) замість Е:
Р = Nα Е¢ = Nα(Е +
). (6)З рівняння (4) маємо:
(2 рів.); εЕ – Е = 4πР;Е(ε – 1) = 4πР, (7)
. (8)Прирівнюємо Р із (6) і (8):
Nα(Е +
) = 
. (9)У рівняння (9) підставляємо замість Р його значення із (8):
Nα
= 
. (10)Відкриваємо в (10) дужки:
NαЕ +
= ; NαЕ + 
= ; 
= ; 
= ; 
= 
; 
= ; 
= 
. (11)Формула (11) – це формула Клаузиуса-Масотті.
Електричні властивості молекул визначаються дипольним моментом та поляризуємістю. Безпосередньо ці величини визначити експериментально неможливо, тому рівняння Клаузиуса-Масотті дає зв’язок між мікрохарактеристиками (μ, α) молекул та макрохарактеристиками (
) речовини. Діелектричну проникність речовини можна визначити експериментально, а уже знаючи її, можна розрахувати α.Використавши зв’язок між N (число молекул в одиниці об’єму) і NA (число Авогадро), рівняння Клаузиуса-Масотті можна записати так:
N =
· NA,де r – питома вага речовини; М – молярна маса речовини
= 
.Якщо врахувати орієнтаційний дипольний момент молекул у зовнішньому електричному полі, то рівняння Клаузиуса-Масотті набуває вигляду
= 
.Це рівняння називають рівнянням Дебая.
Поведінка речовин у змінному електричному полі. Рефракція. При дії на молекули діелектрика змінного поля поляризація залежить від зміни поля. Із збільшенням частоти полярні молекули не встигають орієнтуватися вздовж поля. Тому при досягненні деякої критичної частоти спочатку зникає орієнтаційна поляризація. При дальшому збільшенні частоти зникає і атомна поляризація через інерцію зміщення атомів і атомних груп в молекулі. Таким чином, для частот змінного поля вище 1015 гц спостерігається тільки електронна поляризація. Тому для неполярних діелектриків в полях змінної частоти рівняння Клаузиуса-Масотті заміняється рівнянням молярної рефрекції Лоренц-Лорентца, так як ε(n) = n2(n)
R =
= 
,n – показник заломлення;
α – поляризуємість молекул у змінному електричному полі високої частоти.
Як правило, експерименти проводять в полі світової хвилі жовтої лінії спектра. Випромінювання цієї довжини хвилі речовиною, як правило, не поглинається. Цю спектральну характеристику позначають індексом D справа знизу: nD, RD.
Оскільки густина речовини залежить від температури (Т), то молярна рефракція теж залежить від температури, на що показує верхній правий індекс:
, 
. Але n залежить від довжини хвилі випромінювання, то використовуючи екстраполяцію n(l) для l = ¥ одержують n¥. Величина n¥ дозволяє визначити статичну електронну молярну поляризацію:R¥ = Pe =
= ;n =
.Оскільки n речовин можна визначити досить просто, то уже в кінці ХІХ ст. накопичилося багато рефрактометричних даних, особливо для газів і рідин. При звичайних умовах рідкими є більшість органічних сполук, отже вчення про рефракцію з самого початку розвивалося головним чином на органічних об’єктах. Було встановлено, що в гомологічних рядах молярна рефракція зростає при збільшенні молекулярної маси речовини. Тобто вона виявилась безпосередньо зв’язаною з складом хімічної сполуки. Так, при збільшенні ланцюга у насичених вуглеводнях на одну групу СН2 R зростає на одну і ту є величину: 4,618 см3. Таке постійне зростання R при появі одної і тої ж групи атомів привело до думки приписати певні величини рефракцій окремим атомам. Великою кількістю дослідників були проведені відповідні розрахунки
, в результаті яких було встановлено, що середнє значення рефракції вуглецю – 5,0; водню – 1,3; кисню – 3,0 (см3). Таке близьке співпадання значень рефракції елементів, що перебувають у вигляді простої речовини і в сполуках з іншими елементами дозволило Ландольту сформулювати правило: молярна рефракція хімічної сполуки рівна сумі рефракцій атомів, що входять до її складу. Це положення (хоч і не зовсім точне) відіграло прогресивну роль, так як дало метод розрахунку молекулярних рефракцій, і стимулювало вивчення атомних рефракцій елементів. Співставлення розрахованих і експериментальних величин молекулярних рефракцій дозволило дослідникам зробити висновки про структуру молекули.Використання рефрактометрії для розв’язання структурних задач засновано на порівнянні експериментально виміряних величин з теоретично розрахованими рефракціями для різних варіантів розташування атомів у просторі.
При розрахунку молярних рефракцій хімічних сполук необхідно враховувати реальний характер хімічного зв’язку між атомами.
Приклад.
4,618. Виходячи з цього, можна знайти величину рефракцій С і Н: 
RC + 2RH. Тоді для довільного насиченого вуглеводню 
nRC + (2n + 2)RH; 
nRC + 2nRH.Якщо візьмемо два вуглеводні з різним n, то одержимо дві рівняння з невідомими RC і RH. З них можна визначити ці величини. Існують таблиці атомних рефракцій для всіх елементів.
Величина атомної рефракції елементу залежить від типу хімічного зв’язку, в якому даний атом бере участь. Наприклад, атом С, що приймає участь у подвійному зв’язку, має значення R = = 4,161 см3, тоді