Энергетические составляющие взаимодействий молекул

Энергетические составляющие взаимодействий молекул

Энергетические составляющие взаимодействий молекул

В различных физических (фазовые переходы, адсорбция. сольватация и т.д.) и химических процессах существенную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия.

В отличие от сил химического сродства они на порядок меньше по величине, их действие не приводит к образованию новых и разрушению старых химических связей. Тем не менее в ряде случаев они могут оказывать весьма существенное влияние на ход химических процесов.

Так, реакции в различных растворителях могут протекать по различным механизмам, что обусловлено различиями в характере взаимодействия молекул растворителей и реагентов.

Классификация межмолекулярных взаимодействий

Межмолекулярные взаимодействия бывают трех видов:

  1. Индукционные взаимодействия возникают между диполями и неполярными молекулами вследствие поляризации последних под действием электромагнитных полей, создаваемых первыми;
  2. Ориентационные взаимодействия возникают между молекулами, обладающими асимметрией, за счет электростатического взаимодействия зарядов, различных по знаку и величине для различных частей молекул;
  3. Дисперсионные взаимодействия обусловлены флуктуациями электронных плотностей соседних молекул, приводящих к возникновению у них мгновенных электронных моментов.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Индукционные взаимодействия

Пусть неполярная молекула и диполь находятся на одной линии, вдоль которой направлен дипольный момент. Под влиянием поля диполя электронная плотность в неполярной молекуле смещается и она поляризуется, т.е. приобретает наведенный дипольный момент, равный $\mu_н$ = $\alpha F$, где $F$ — напряженность поля, создаваемого диполем на расстоянии $R$. Значение $F$ можно вычислить как

$F{\rm =}\frac{e}{R2}-\frac{e}{{\left(R+\Delta \right)}2}=\frac{2\Delta e}{R3}=\frac{2\mu }{R3}$ (1)

где $\Delta $ — расстояние между центрами тяжести зарядов диполя, $\mu $ — его дипольный момент. Следовательно

${\mu }_н{\rm =}\frac{2\alpha \mu }{R3}$ (2)

Энергия взаимодействия диполя и наведенного диполя может быть рассчитана как

$\varepsilon {\rm =-}\frac{e2}{R}+\frac{e2}{R+\Delta }+\frac{e2}{R+{\Delta }_н}-\frac{e2}{R+{\Delta }+{\Delta }_н}$ (3)

где $\Delta_н$ — расстояние между центрами тяжести зарядов наведенного диполя. Считая, что $\Delta $, $\Delta_н \ll R$, получим

$\varepsilon {\rm =}-\frac{{2R\Delta {\Delta }_нe}2}{R4}$ (4)

Т.к. по определению $\mu = \Delta_е$, $\mu_н = \Delta_не$, то

$\varepsilon {\rm =}-\frac{{2\mu {\mu }_н}}{R3}=-\frac{4\alpha {\mu }2}{R6}$ (5)

Энергия, затрачиваемая на поляризацию

${\varepsilon }_n{\rm =}\frac{2\alpha {\mu }2}{R6}$ (6)

Полная энергия индукционного взаимодействия равна

$\varepsilon {\rm =}-\frac{4\alpha {\mu }2}{R6}+\frac{2\alpha {\mu }2}{R6}=-\frac{2\alpha {\mu }2}{R6}$ (7)

Средняя энергия индукционного взаимодействия двух произвольно расположенных молекул, одна из которых — диполь, а вторая — наведенный диполь, равна

$\varepsilon {\rm =}-\frac{\alpha {\mu }2}{R6}$ {8}

Ориентационные взаимодействия

Ориентационные взаимодействия получили свое название потому, что молекулы должны ориентироваться в пространстве энергетически выгодным образом. Например, для двух диполей это будет расположение друг за другом, так что плюс одного будет соседствовать с минусом другого.

Очевидно, при достаточно низкой температуре, такая ориентация будет сохраняться. С ростом температуры будет возрастать энергия вращения молекул и ориентация будет ослабевать. Т.е. сила ориентационных взаимодействий зависит от температуры и снижается при ее возрастании.

При очень низких температурах, когда энергия взаимодействия существенно больше величины $kT$ ($k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура), произойдет полная ориентация молекул.

Тогда, например, для двух молекул, находящихся на одной линии на расстоянии $R$ друг от друга, энергия взаимодействия будет выражена формулой (4).

При более высоких температурах диполь, хаотично перемещаясь и вращаясь в поле, напряженностью $F$, позволяет регистрировать некоторое среднее, зависящее от температуры значение проекции момента против направления поля. Эта проекция пропорциональна $F$. Таким образом возникает некий аналог поляризуемости, называемый эффективной поляризуемостью, которая равна

$\alpha {\rm =}\frac{{\mu }2}{3kT}$ (9)

Энергия ориентационных взаимодействий с учетом вероятности различных взаимных ориентаций диполей будет равна

$\varepsilon {\rm =}-\frac{2{\mu }2_1{\mu }2_2}{3kTR6}$ (10)

Т.о., при высоких температурах энергия ориентационного взаимодействия обратно пропорциональна температуре и 6-й степени расстояния между молекулами.

Дисперсионные взаимодействия

Дисперсионные взаимодействия можно рассматривать, используя приближенную аналогию с ориентационными. Поэтому для их энергии можно получить выражение, аналогичное (10), но вместо $kT$ и $\mu $ в нем будут другие величины.

Если в предыдущих случаях величина $kT$ характеризует энергию теплового движения, препятствующего ориентации при взаимодействии диполей, то мгновенным электронным моментам мешает ориентироваться их кинетическая энергия. Мерой кинетической энергии таких молекул служит потенциал ионизации $\upsilon $.

Поэтому вместо $kT$ подставим в выражение (9) величину $\upsilon $, получим

$\alpha {\rm =}\frac{{\mu }2}{3\upsilon }$ (11)

Выражая $\mu $2 из (11) и подставляя полученное выражение в (10), получим

$\varepsilon {\rm =-}\frac{3{\alpha }2V}{4R6}$ (12)

Взаимодействие разных атомов описывается формулой Ф.Лондона

$\varepsilon {\rm =}\frac{3}{{\rm 2}}\cdot \frac{{\alpha }_1{\alpha }_2}{{1}/{{\upsilon }_1+{1}/{{\upsilon }_2}}}\cdot \frac{1}{R6}$ (13)

Слетэр и Кирквуд связали энергию дисперсионного взаимодействия с числом внешних электронов N и получили формулу энергии взаимодействия одинаковых атомов

$\varepsilon {\rm =}\frac{3eh}{8\pi R6}\sqrt{\frac{N{\alpha }3}{m}}$ (14)

Дисперсионные силы не зависят от температуры. Они существуют в любых системах, где имеются электроны. Вероятность движения электронов в двух молекулах «в такт» ничтожно мала. При этом взаимодействие электронных плотностей нескольких соседних молекул объективно существует.

Соотношение энергий взаимодействий различной природы

Расчеты показывают, что энергии индукционных взаимодействий малы по сравнению с энергиями дисперсионных и ориентационных взаимодействий и ими можно пренебречь.

Для неполярных молекул энергетическая составляющая межмолекулярных взаимодействий обусловлена только дисперсионными силами. Из формулы (14) следует, что энергия дисперсионных взаимодействий растет с числом электронов. В этом заключается основная причина таких фактов, как, например, возрастание температур кипения жидкостей в гомологическом ряду.

У диполей ориентационная составляющая сравнима по величине с дисперсионной. Вклад дисперсионных взаимодействий определяется числом электронов в молекуле. Так, при взаимодействии молекул воды дисперсионные силы почти не играют роли.

При отсутствии дипольного момента вода имела бы температуру кипения, близкую к температуре кипения кислорода. В метиловом спирте вклад дисперсионной составляющей увеличивается, а в этиловом он сравним с вкладом ориентационной составляющей. Т.к.

дипольные моменты в гомологическом ряду спиртов мало отличаются, то увеличении «веса» дисперсионной составляющей связано с ростом молекулярной массы.

Развитие теории энергии межмолекулярных взаимодействий сделало возможными численные расчеты теплот конденсаии, адсорбции, ассоциации, ван-дер-ваальсовых взаимодействий и т.п.

Источник: https://spravochnick.ru/himiya/vnutri-_i_mezhmolekulyarnye_vzaimodeystviya/energeticheskie_sostavlyayuschie_vzaimodeystviy_molekul/

Энергия взаимодействия молекул. внутренняя энергтя

Энергетические составляющие взаимодействий молекул

Бибиков Д.Н.

Вещество. Системы частиц.

Учебное пособие

Нижний Новгород 2015

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом Лицея 180

Рецензенты:

М.А. Урутина , учитель высшей категории МБОУ СОШ №62 кандидат педагогических наук

Е.В. Корчагин, заслуженный учитель России

Л.А. Новожилова,учитель высшей квалификационной категории МАОУ лицей №180

Вещество. Системы частиц. : учеб. пособие / Д.Н. Бибиков. Н.Новгород : МАОУ Лицей 180, 2014. – 142 с.

Введение новых программ по физике, организация факультативных курсов, наличие школ с углублённым изучением физики, вызвали потребность в пособиях, где основы физики излагались бы значительно шире и глубже, чем это сделано в стандартном учебнике.

Данное учебное пособие посвящено разделу физики «Молекулярная физика и термодинамика», в котором излагаются основы физики на более современной основе, чем это обычно принято.

Учебное пособие содержит изложение теоретических и методологических основ физических явлений на макро и микроуровне. В нем представлены цели, задачи и основные подходы к решению задач образования на основе Федерального закона Российской Федерации от 29 декабря 2012 г. N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации».

Учебное пособие предназначено для учащихся, обучающихся по программам углублённого изучения физики и математики. Оно может быть полезно для преподавателей физики школ, лицеев, колледжей и студентам вузов.

© Бибиков Д.Н.

Основные положения молекулярно- кинетической теории. Атомы и молекулы. Массы и размеры молекул.

Вещество

Основными понятиями МКТ являются:

1. Все тела состоят из молекул (атомов)

2. Молекулы движутся.

3. Молекулы взаимодействуют.

Установлено: все макротела состоят из молекул (атомов). Доказательством служит наблюдение молекул в электронный микроскоп, косвенным доказательством является броуновское движение. Броуновское движение – это хаотическое движение микрочастиц под ударами молекул. Молекула — мельчайшая частица вещества, проявляющая химические свойства данного вещества.

Атомы химических свойств могут и не проявлять, например молекула воды Н2О состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атомы мельчайшие частицы химических элементов. Молекулы и атомы можно наблюдать в электронный микроскоп. Размеры атома очень малы. Их диаметр порядка 10-10 м. Молекулы простых веществ так же, как и атомы, очень малы.

Систематизацию атомов провёл выдающийся русский учёный Д.И. Менделеев. Каждый элемент имеет своё название и символ. Около символа пишется порядковый номер его в периодической таблице Менделеева и атомная масса, называемая массовым числом, выраженная в углеродных единицах, например азот — , кислород — .

Из химии известен закон постоянных отношений: «При образовании любого количества какого-либо химического соединения массы соединяющихся веществ, всегда находятся в определённом соотношении». Например, при образовании воды из водорода и кислорода массы реагирующих веществ, всегда относятся как 1:8.

Зная, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода можно заключить, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода. На этом законе основано введение относительной атомной массы и относительной молекулярной массы.

Число, показывающее, во сколько раз масса атома (молекулы) больше 1/12 массы атома углерода, называется относительной атомной (молекулярной) массой данного вещества. Жан Батист Перрен посмотрел на броуновское движение сверху. Он сравнил зависимость концентрации броуновских частиц от высоты с зависимостью от высоты концентрации молекул водорода. Кривые имеют одинаковый вид.

Разница только в том, что в воздушной атмосфере концентрация изменяется вдвое при изменении высоты H на 5 км, а в атмосфере броуновских частиц при изменении h всего на 30 мкм. Перрен проводил опыты с частицами различных размеров и масс и установил, что изменение высоты h, при котором концентрация частиц уменьшается вдвое, обратно пропорционально массе частиц. Исходя из современных знаний можно вывести это чисто математически.

Зависимость концентрации молекул от высоты выражается барометрической формулой. ; где n – концентрация молекул на некоторой высоте, n0 – концентрация молекул на поверхности земли.

T- температура, R – универсальная газовая постоянная. m — масса молекулы. Для частиц взвешенных в жидкости (броуновских частиц) имеем .

Перрен определил высоту при которой концентрация частиц водорода и броуновских частиц уменьшалась вдвое.

,

, отсюда

.

Если основания равны значит и показатели степени равны. Отсюда Перрен определил массу одной броуновской частицы. Она оказалась равной

М=2,84·10 -18 грамма.

Значит масса атома водорода равна

= 1,67·10-24 грамм.

Масса атома водорода или 1 атомная единица массы равна 1,67·10-27 кг.1/12 массы атома углерода. Найдём отношение 1 грамма атомарного водорода к единице атомной массы, выраженной в граммах.

Мы получим число атомов водорода в одном грамме водорода. Умножив числитель и знаменатель на 4, получим, что в 4 граммах гелия находится такое же число молекул. Это число назвали числом Авогадро, а количество вещества, в котором содержится число моле кул, равное числу Авогадро назвали молем. Часто в физике и химии пользуются молярной массой.

Моль – масса вещества, выраженная в граммах, которая численно равна молекулярной массе в углеродных единицах. Для воды молярная масса равна М = 16+1+1=18 г/моль или в системе «СИ» М=18х10-3кг/моль. В одном моле любого вещества содержится 6,023х1023 молекул. Массу молекулы можно найти по формуле mo=M/NA , а число молекул, , где m/M = ν число молей, отсюда .

Число молекул в единице объёма называют концентрацией молекул n=N/V.В телах молекулы располагаются на некотором расстоянии друг от друга. У твёрдых и жидких тел эти расстояния невелики по сравнению с размерами самих молекул. У газообразных тел расстояния между молекулами могут быть любыми.

О наличии промежутков между молекулами говорят следующие факты; тела можно сжать под действием внешних нагрузок; тела изменяют объём при изменении температуры; диффузия.

Рисунок 1 Насыщение стали углеродом

Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, вид которого зависит от агрегатного состояния вещества.

Доказательством этого служит диффузия — самопроизвольное перемешивание, которое наблюдается в газообразном, жидком и твёрдом состоянии. Скорость диффузии зависит от температуры, рода вещества и его состояния (см. «Потоки»). Диффузия — это наше дыхание.

Диффузия широко применяется и технике, например, Для легирования поверхностного слоя металлов (цементация, азотирование, и т.д.). Движением молекул объясняется «броуновское движение».

Броуновское движение – хаотическое движе­ние взвешенных в газе или жидкости мельчайших твёрдых частиц. Молекулы, которых не видно, ударяют в крупную частицу, которую уже можно наблюдать, и частица совершает беспорядочное движение.

Молекулы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются (см. Силы). Доказательством этого является существование твёрдых и жидких тел. Взаимодействие обусловлено тем, что молекулы состоят из заряженных частиц.

Вопросы:

1. Назовите основные положения молекулярно-кинетической теории.

2. Что называется броуновским движением?

3. Что называется молекулой?

4. Кто провёл систематизацию химических элементов?

5. Запишите барометрическую формулу.

6. Что называется числом Авогадро?

7. Что называется диффузией?

8. Что такое цементация?

ЗАДАЧИ

1. Сколько молекул находится в 1 кг кислорода?

2. Определите массу одной молекулы серной кислоты.

3. Зная, что в одном моле вещества 6,02 • 1023 молекул, най­дите массу молекулы азота, если известно, что молярная масса равна.

4. Какую массу имеют 2×1023 молекул кислорода?

5. За 5 суток полностью испарилось 5×10 -2 кг спирта. Сколь­ко в среднем молекул вылетало с поверхности за 1 с?

7. Какой объем занимают 100 моль железа?

8. Определите диаметр молекулы масла по масляному пят­ну площадью 12,3×10-2 м2, разлитому по поверхности воды, если образовался слой в одну молекулу. Масса капли масла 0,088×10-6 кг, а плотность масла 800 кг/м3.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 1

1. Сколько молекул находится в 5 кг водорода?

2. Определите массу одной молекулы соляной кислоты.

3. Зная, что в одном моле вещества 6,02 • 1023 молекул, най­дите массу молекулы углекис­лого газа, если известно.

4. Какую массу имеют 220×1023 молекул азота?

5. За 5 суток полностью испарилось 5×10 -2 кг бензина. Сколь­ко в среднем молекул вылетало с поверхности за 1 с?

7. Какой объем занимают 100 моль никеля?

8. Определите диаметр молекулы масла по масляному пят­ну площадью 25×10-2 м2, разли­тому по поверхности воды, если образовался слой в одну молекулу. Масса капли масла 0,1×10-6 кг, а плотность масла 700 кг/м3.

Энергия взаимодействия молекул. внутренняя энергтя.

ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ.

Молекула – нейтральная частица. Но, как показываю опыты, и они взаимодействуют. Природа взаимодействия молекул – электромагнитная. Мы знаем, что и нейтральные частицы-диполи могут притягиваться. Молекулы взаимодействуют силами еще более короткодействующими.

Но при слишком близком приближении молекул взаимодействие электронов с ядром становится менее значительным, и на первые роли выходит отталкивание положительно заряженных ядер атомов.

Результирующая сила изображается довольно сложной кривой с явно выраженной впадиной.

Но есть участок с прямолинейной зависимостью. Это говорит о том, что при малых деформациях сила пропорциональна величине деформации. Две заряженные, взаимодействующие частицы обладают энергией взаимодействия.

График зависимости энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними выглядит примерно так же, как график сил. Он имеет характерную потенциальную яму. При r = ro потенциальная энергия минимальна.

При r < ro энергия резко возрастает. При r >

ro энергия тоже возрастает, но при большом увеличении расстояния энергия стремится к нулю, происходит разрыв молекулярных связей.

Итак, молекулы двигаются и взаимодействуют, т.е. молекулы обладают энергией взаимодействия (потенциальной) и энергией движения (кинетической). Сумма кинетической и потенциальной энергий частиц составляющих тело называется внутренней энергией тела – U. В тепловых процессах, под внутренней энергией понимается энергия молекул. U=åWп+åWk,

где Wп – потенциальная энергия молекулы, Wk – кинетическая энергия молекулы. Агрегатное состояние вещества зависит от соотношения Wп и Wk. Если Wп > Wk – тело находится в твёрдом состоянии. Если Wп ≈ Wk – тело находится в жидком состоянии. Если Wп

Источник: https://megaobuchalka.ru/11/58894.html

Энергия молекулы

Энергетические составляющие взаимодействий молекул

Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой в одно целое силами связи, которые называют химическими связями.Силы, удерживающие атомы в молекуле, вызваны взаимодействием внешних электронов.

Различают два вида связи. Один из них осуществляется в тех молекулах, в которых часть внешних электронов движется вокруг обоих ядер (мы ограничимся рассмотрением только двухатомных молекул). Такая связь называется гомеополярной или ковалентной связью.К молекулам с такой связью относятся молекулы с одинаковыми ядрами (Н2, N2, O2) и молекулы с разными ядрами (например, CN).

Второй тип связи имеет место в том случае, когда электроны в молекуле можно разделить на две группы, каждая из которых все время находится около одного из ядер.

Электроны распределяются так, что около одного из ядер образуется избыток электронов, а около другого – их недостаток. Таким образом, молекула как бы состоит из двух ионов противоположных знаков, притягивающихся друг к другу.

Этот тип связи называется гетерополярной или ионной.Примером молекулсионной связью могут служить NaCl, KBr, HCl и т. д.

Независимо от природы тех сил, которые приводят к образованию устойчивой системы из двух атомов можно высказать некоторые общие соображения о характере этих сил. Атомы, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, не взаимодействуют дуг с другом.

По мере уменьшения расстояния r между ядрами атомов возрастают силы взаимного притяжения, действующие между атомами (см. рис. 11.5, F2). Однако эти силы не являются единственными.

На малых расстояниях между атомами проявляют свое действие силы взаимного отталкивания F1, не позволяющие электронам одного атома слишком глубоко проникнуть внутрь электронных оболочек другого атома. Силы отталкивания являются более короткодействующими, чем силы притяжения.

Благодаря одновременному действию противоположено направленных сил – притяжения и отталкивания – на некотором расстоянии r0 между атомами обе силы уравновешивают друг друга и их геометрическая сумма (результирующая сила F) равна нулю.

Этому расстоянию соответствует наименьшая взаимная потенциальная энергия Wп(r) атомов двухатомной молекулы. На рис. 11.6 приведена кривая зависимости от r потенциальной энергии Wп(r) взаимодействия двух атомов в молекуле.

Равновесное междуатомное расстояние r0 в молекуле называют длиной связи. Величина D (на кривой рис. 11.6) определяет энергию связи молекулы.

Она численно равна работе, которую надо совершить для того, чтобы разорвать связи атомов в молекуле.

В основном изменение запаса энергии молекулы происходит, как и в атоме, в результате изменения электронной конфигурации, образующей периферическую часть молекулы.

При изменении электронной конфигурации (при возбуждении молекулы) смещается кривая зависимости электронной энергии от расстояния между ядрами (см. кривые 1 и 2 на рис. 11.7).

При заданной электронной конфигурации атомы молекулы могут совершать колебательное движение относительно друг друга и вращаться относительно общего центра инерции. Полную энергию какого-либо стационарного состояния молекулы можно представить в виде:

W = We + Wv + Wr , (11.4)

где We – энергия, обусловленная электронной конфигурацией, Wv – энергия колебательного движения, Wr – энергия вращательного движения.

Используя уравнения квантовой механики, можно показать, что не только при изменении электронной конфигурации, но и при изменении энергии колебательного и вращательного движений, энергия указанных видов движения имеет дискретные значения и может быть выражены следующим образом:

(11.5)и (11.6)

где v – колебательное квантовое число, которое может принимать следующие значения:

v = 0, 1, 2, 3, …; ωv – циклическая частота колебаний; J – вращательное квантовое число, которое может принимать следующие значения: J = 0, 1, 2, 3, …; I – момент инерции молекулы относительно оси, проходящий через центр инерции.

Формула (11.5) определяет энергию гармонического осциллятора. По мере увеличения энергии колебаний (увеличения квантового числа v) наблюдается ангармоничность, ведущая к сближению уровней колебательного движения, имея своим пределом энергию диссоциации молекулы (рис. 11.8).

Итак, в соответствии с (11.5)и (11.6)полнаяэнергия молекулы равна:

Опыт и теория показывают, что расстояние между вращательными уровнями ∆Wr значительно меньше расстояния между колебательными уровнями ∆Wv, которое в свою очередь значительно меньше, чем расстояние между электронными уровнями ∆Wе.

Таким образом, схема энергетических уровней молекулы выглядит так, как показано на рис.11.9 (приведены только два электронных уровня). Совокупность уровней содержится в правом столбце рисунка. Первые два столбца лишь поясняют возникновение уровней.

Молекулярные спектры сильно отличаются от атомных. Атомные спектры состоят из отдельных линий,

молекулярные же спектры состоят из полос, резких с одного края и размытых с другого. При изучении этих спектров с помощью приборов с большой разрешающей способностью определяют важнейшие физические характеристики молекул: длину связи, энергию связи, момент инерции.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_29769_energiya-molekuli.html

Энергия молекул и ее составляющие

Энергетические составляющие взаимодействий молекул

Департамент образования города Москвы

Центральное окружное управление образования

Государственное бюджетное образовательное учреждение 
средняя общеобразовательная школа № 528

____________________________________________________

Энергия молекул и ее составляющие

Реферат по химии

Выполнил:                     Перелыгин Александр Юрьевич 11 «Б»

Москва

2012 г

1. Уровни энергии молекул…………………………………………………………3

2. Вращательное движение Вычисление его энергии Вращательные спектры…4

3. Колебательное движение Вычисление его энергии……………………………..5

4. Электронно-колебательно-вращательные спектры…………………………….6

5. Пример обсчета спектра поглощения иода………………………………………6

6. Список использованной литературы……………………………………………..8

Свойства веществ и характер их химических превращений зависят от строения молекул, входящих в состав данного вещества, и особенно от размеров и расположений атомов, входящих в состав этих молекул, межъядерного расстояния, энергии химических связей, зарядов атомов и атомных группировок[1].

Молекулы представляют собой систему связанных химической связью атомов. Важной характеристикой молекулы является энергия, которой эта молекула обладает.

Энергия молекул складывается из трех видов энергии[2]:

  1. Энергия вращения самих молекул
  2. Энергия колебания ядер атомов, входящих в состав молекул
  3. Энергия движения электронов, входящих в состав атомов

Причем, наименьшей оказывается энергия вращения молекул, затем энергия колебания ядер и наибольшей является энергия движения электронов. Эти виды энергии находятся в примерном соотношении[2]: 

Еэл : Екол : Евр = 1000 : 100 : 1

Наименьшей энергией молекула обладает в невозбужденном состоянии: электроны находятся на самых низких уровнях энергии, вращательная и колебательная энергия молекулы минимальны. При сообщении молекуле небольших количеств энергии возбуждается лишь ее вращательное состояние.

При сообщении ей больших количеств энергии возбуждается ее колебательное состояние при этом возбуждается и ее вращательное состояние, так как молекула обычно поглощает несколько больше энергии, чем это необходимо для изменения энергии колебания атомов.

И наконец, при сообщении ей еще больших количеств энергии может быть изменена электронная конфигурация молекулы. В таком возбужденном состоянии молекула также совершает колебания и вращается.

При сообщении молекуле энергии и изменении ее состояния (ее возбуждении)  молекула испускает или поглощает радиацию или электромагнитные колебания с определенной частотой[2]. При этом при переходах между различными уровнями энергии испускается спектр.

Для переходов между вращательными уровнями – вращательный спектр (состоит из отдельных полос), между колебательными уровнями – колебательно – вращательный (состоит из групп полос) и переходу электронов соответствует электронно–колебательно–вращательный спектр (состоит из совокупности всех полос, показывающие все виды энергетических изменений)

Вращательным переходам соответствует излучение в дальней инфракрасной области спектра. Колебательным переходам соответствует излучение в ближней инфракрасной области спектра. Переходам электронов соответствует видимое или УФ излучение ввиду наибольшего изменения энергии.

  1. Вращательное движение Вычисление его энергии Вращательные спектры

 Чисто вращательные спектры возникают в результате изменения одного только вращательного состояния молекулы. Молекулы газообразных веществ постоянно совершают свободное вращательное движение вокруг оси, проходящей через центр тяжести молекулы. Кинетическая энергия такого движения выражается уравнением[2]:

 ,

где – угловая скорость вращения, – момент инерции вращения.

Момент инерции вращения – это произведения массы вращающейся частицы m на радиус окружности r, по которой движется материальная точка. Момент инерции тела представляет сумму моментов инерции материальных точек, составляющих это тело. Момент инерции молекулы равен сумме моментов инерции атомов.

Энергию вращательного движения молекулы можно вычислить по уравнению[2]:

где – вращательное квантовое число, равное 0, 1, 2, 3…, h – постоянная Планка, – момент инерции вращения.

Если молекула переходит от вращения с квантовым числом i1 к вращению с квантовым числом i2 то испускается квант энергии.

Момент инерции I и радиус r , по которому движется атом во вращающейся молекуле можно определить по спектральным данным, используя различные уравнения. В частности для определения этих величин используются методы микроволновой спектроскопии. Эти методы также дают возможность точно рассчитать длины связей и валентные углы.

  1. Колебательное движение Вычисление его энергии

В двухатомной молекуле, где совершаются колебательные движения ядер по линии химической связи, происходит периодическое увеличение и уменьшение расстояния между колеблющимися ядрами. При этом в реальной молекуле колебания ядер значительно отличаются от гармонических колебаний и называются ангармоническими.

Это происходит из – за того, что в действительности при увеличении расстояния между ядрами энергия их взаимодействия падает (при достаточно больших расстояниях до нуля), что соответствует разрыву связи между атомами, т. е. диссоциации молекулы.

Для ангармонических колебаний энергия выражается уравнением[2]:

,

где – энергия колебательного движения (сумма кинетической и потенциальной энергии колеблющихся в молекуле ядер), – колебательное число, принимающие значение целых неотрицательных чисел, – собственная частота колебания атомов в молекуле, – фактор ангармоничности, характеризующий отклонение данного колебания от гармоничного.

Это уравнение пригодно для определения колебательно движения. Согласно данному уравнению, молекула не может обладать любой энергией колебательного движения. Колебательная энергия не равно нулю даже при  = 0, а это значит, что даже при абсолютном нуле в молекуле совершаются колебательные движения.

Фактор ангармоничности и собственные частоты колебаний ядер можно определить, анализируя колебательные спектры, что вместе с данными по рентгеноструктурному анализу позволяет судить о строении молекулы[1].

Важной областью применения молекулярных спектров является определение при их помощи диссоциации молекул (см.

вид поглощения спектра парами иода) Энергия диссоциации двухатомной молекулы равна энергии связи между атомами в этой молекуле.

  1. Электронно-колебательно-вращательные спектры

Для изменения вращательного и колебательного движения молекул требуется в десятки и сотни раз меньше энергии, чем для электронного перехода. Поэтому электронные переходы всегда сопровождаются изменениями в колебательном и вращательном движении.

Под влиянием лучистой энергии изменяется колебательная энергия молекулы, т.е. переходит на более высокий уровень и расстояние между ядрами увеличивается. Когда молекула достигнет высшего уровня колебательной энергии произойдет ее диссоциация[3].

При поглощении еще большего количества энергии может произойти электронный перескок, что связано со значительным повышением энергии молекулы. При этом атомы после диссоциации обладают значительно большей энергией, чем атомы, образовавшиеся при диссоциации молекулы в невозбужденном состоянии.

Таким образом при диссоциации возбужденной молекулы оба или один из атомов будет в возбужденном состоянии. Это стоит учитывать при нахождении энергии диссоциации молекулы.

При возбуждении электронов в молекулах наблюдается излучение в видимой или УФ области спектра. В молекулярных электронно-колебательно-вращательных спектрах возникают полосы и примыкающие к ним сплошной спектр поглощения. Данный спектр показывает совокупность всех видов энергетических изменений в молекулах.

  1. Пример обсчета спектра поглощения иода

Изучение электронно-колебательного спектра поглощения молекул йода проводится с помощью дифракционного спектрографа высокой дисперсии[1]. Свет от лампы накаливания, частично поглощаясь в кювете с парами йода, направляется линзой конденсора и поворотным зеркалом на щель спектрографа. Этот свет разлагается диспергирующей системой в спектр, который можно наблюдать на матовом стекле.

Электронно-колебательный спектр поглощения молекул йода наблюдается в виде темных полос на фоне непрерывного спектра излучения лампы накаливания[1].

Пройдя осветительную конденсорную систему, свет от источника попадает на входную щель, а затем с помощью поворотного зеркала и зеркала коллиматора параллельным пучком направляется на дифракционную решетку. Разложенный в спектр пучок возвращается на зеркало коллиматор и, отразившись от него, собирается в фокальной плоскости камеры, где ставится матовое стекло.

Пример определения энергии диссоциации D молекул йода в основном электронном состоянии по границе сбегания полос в электронно-колебательном спектре поглощения.

Дифракционный спектрограф включают в сеть. Затем включают подогрев кюветы с парами иода на 10 минут (для того, чтобы иод перешел в газообразное состояние). После этого включают лампу накаливания и поворотным зеркалом направляют ее излучение на входную щель прибора, предварительно настроенную для работы.

Наблюдая спектр на матовом стекле, убедиться в наличии линейчато-полосатого спектра поглощения молекул йода. Добиться его максимальной яркости малыми перемещениями поворотного зеркала. Далее включают ртутную лампу, предварительно прогрев ее.

После этого следует направить поворотным зеркалом излучение ртути на входную щель и вывести на правый край матового стекла линию ртути с длиной волны λ=546 нм, приняв её в качестве реперной линии. Затем поворотным зеркалом необходимо направить излучение, прошедшее через кювету с йодом, на входную щель и найти границу сбегания полос спектра поглощения.

Чтобы определить длину волны этой границы, нужно с помощью линейки измерить расстояние между границей и реперной линией в мм, а затем воспользоваться линейной дисперсией прибора. Определить энергию кванта , соответствующего границе сбегания полос можно по формуле по формуле[4]:

,

где

Определить энергию диссоциации молекул йода в основном состоянии можно по формуле[4]:

,

где — энергия возбужденного атома, энергию кванта.

Рис. 1. Оптическая схема и внешний вид

экспериментальной установки 

  1. Список использованной литературы

1. Голиков Г.А.  Руководство по физической химии. – М.: Высшая школа, 1988. – 384 с

2. Стромберг А. Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1973. – 480 с

3. Эткинс П.  Физическая химия, том 1. – М.: Мир, 1980. – 293 с

4. Молекулярный спектр. Определение энергии диссоциации молекулы йода. // На сайте кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (http://optics.sgu.ru/_media/library/education/atom-9.pdf)

Источник: https://www.yaneuch.ru/cat_35/jenergiya-molekul-i-ee-sostavlyajushhie/126921.1813651.page1.html

Booksm
Добавить комментарий