第七章第七章分子的物理性质及弱化学键分子的物理性质及弱化学键分子的电学性质：偶极矩分子的电学性质：偶极矩分子的磁学性质：磁化率分子的磁学性质：磁化率分间作用力分间作用力弱化学键弱化学键1 1、偶极矩、偶极矩一、分子的电学性质一、分子的电学性质正负电荷中心不重合的分子为正负电荷中心不重合的分子为极性分子极性分子。偶极矩的定义：偶极矩的定义：l+q-qSI单位：单位：Cm，惯用用单位位：D1D=3.33610-30 Cm对对于于分分子子的的极极性性用用偶偶极极矩矩表表示示。分分子子的的偶偶极极矩矩可可通通过过实实验验求求出出，或或通通过过量量子子力力学学的的计计算算。对对于于共共价价键键的的极极性性，用用键键矩矩表表示示。公公式式和和方方向的规定同偶极矩，向的规定同偶极矩，qdqd，方向从正到负。方向从正到负。2 2、分子的极化、分子的极化取向极化（极性分子）取向极化（极性分子）变形极化（所有分子）变形极化（所有分子）原子极化率原子极化率e电子极化率电子极化率a定义：定义：的单位是：的单位是：m3，又称之为极化率体积。，又称之为极化率体积。极化率与介电常数的关系极化率与介电常数的关系相对介电常数：相对介电常数：Clausius-Mosotti-Debye方程方程化合物相对介电常数与极化率之间在关系如下：化合物相对介电常数与极化率之间在关系如下：对于极性分子：对于极性分子：可以证明：可以证明：由由和和r计算出计算出P，以，以P对对1/T作图，由直线的截矩和作图，由直线的截矩和斜率可求斜率可求d和和。令令摩尔取向极化度摩尔取向极化度极化作用与频率的关系极化作用与频率的关系对于高频电场，如可见光区，只存在电子极化率。对于高频电场，如可见光区，只存在电子极化率。在在光光频频范范围围一一定定频频率率下下。介介电电常常数数与与该该频频率率时时的的介介质质折折射率之间存在如下关系：射率之间存在如下关系：可求得电子极化度：可求得电子极化度：Rm：摩尔折射度：摩尔折射度反磁化率反磁化率物质的磁化物质的磁化永久磁矩永久磁矩顺磁性顺磁性平均磁矩平均磁矩实验磁化率实验磁化率磁化率磁化率不成对不成对电子数电子数配键类型配键类型磁化率原理流程图磁化率原理流程图磁化率原理流程图磁化率原理流程图二、分子的磁学性质二、分子的磁学性质：原子在磁场中的示意图物质在外加磁场 中会被磁化，有感应磁场 ，所以物质内部的磁场强度B是若 与 的方向相同，则该物质为顺磁。 （其中若 消失后， 并不消失，则该物质为铁磁性物质）若 与 的方向相反，则该物质为反磁。1、物质的磁化、物质的磁化为何顺磁物质在日常生活中并不显磁性呢?分子热运动使得原子或分子指向各个方向的机率相同，从宏观上看总磁矩为零。顺磁物质中的单个原子或分子具有永久磁矩 ，永久磁矩使得每个原子或分子就是一个有方向的小磁场。在外加磁场的作用之下，原子或分子的 会顺着磁场排列。同时顺磁物质本身在磁场中显出磁性，也加大了物质内部的磁场强度。2、永久磁矩、永久磁矩永久磁矩 的产生是因为顺磁物质中的单个原子或分子的总角动量 不为零，其中 （ 是总轨道角动量， 是总自旋角动量）而总角动量的大小（J是内量子数，J=L+S,L+S-1,L+S-2,|L+S|）永久磁矩 与内量子数J有关： （g是朗特因子，与量子数J,L,S有关； 是玻尔磁子）无外加磁场时， 由于热运动，原子或分子的磁矩指向个各方的机率相同，故顺磁质宏观的平均磁矩为零；在外加磁场作用下，原子或分子的 会顺着磁场方向排列，但热运动会扰乱这种排列，当达到热力学平衡时，物质便具有平均磁矩。显然平均磁矩与外加磁场 的强度成正比，与温度成反比。3 3、平均磁矩的理论值、平均磁矩的理论值根据玻尔兹曼分布定律，并注意到一个给定的内量子数根据玻尔兹曼分布定律，并注意到一个给定的内量子数J,对对于总磁量子数于总磁量子数MJ，同时可取，同时可取J，J-1，J-2，-J共共2J+1个个值，所以平均磁矩：值，所以平均磁矩： 其中，其中，k=1.3810-23焦耳焦耳/度是玻尔兹曼常数；度是玻尔兹曼常数；T是绝对温度。是绝对温度。 代入代入 ，得平均磁矩：，得平均磁矩： help4、平均磁矩的实验值、平均磁矩的实验值在多原子分子中，电子轨道运动与分子的核构型关系很紧密，以致电子轨道运动产生的磁矩不能顺着外磁场方向，宏观上产生的磁矩小；故分子的磁性几乎全部是由电子自旋运动提供的。 所以永久磁矩的公式改写为：仅考虑自旋时，g=2.00 设未成对电子数为n，则S=n/2，代入上式得：help5、磁化率、磁化率磁介质在磁场中的磁化程度，用磁化强度矢量磁介质在磁场中的磁化程度，用磁化强度矢量 表示，表示，被定义为单位体积分子磁矩的矢量和。被定义为单位体积分子磁矩的矢量和。单位体积磁化率（无量纲）可以看作单位磁场单位体积磁化率（无量纲）可以看作单位磁场强度下单位体积的磁矩强度下单位体积的磁矩6、摩尔磁化率、摩尔磁化率磁化率是永久磁矩在宏观上的表现。摩尔磁化率 的定义是单位磁场强度下，一摩尔物质的 ，即若仅考虑平均磁矩的实验值，则：help7、摩尔反磁化率、摩尔反磁化率只要有外加磁场，反磁质、顺磁质都会产生与H方向相反的诱导磁矩。摩尔反磁化率 是单位磁场强度下，一摩尔物质的 ，即：对于反磁质来说，实验测得的磁化率就是反磁化率。help8、实验磁化率、实验磁化率而对于顺磁质来说，实验测得的磁化率 是磁化率 和反磁化率 之和：但 ，所以可以近似将 看作 ，故只根 据 来计算：help9、不成对电子数、不成对电子数设未成对电子数为n,则S=n/2解方程，可得：所以，只有存在未成对电子的物质才有顺磁性help10、配键类型、配键类型络合物呈球对称，电子轨道能量都相同。络合物呈正八面体，电子轨道能量不全相同。以铁原子为例：有两个孤有两个孤有两个孤有两个孤对电子对电子对电子对电子无孤对无孤对无孤对无孤对电子电子电子电子故根据不成对电子数可以确定络合物中的结构help11、磁天平的原理、磁天平的原理help样品管天平磁场沿样品轴心方向S，存在一磁场强度梯度，作用于样品的力为： 其中，A为样品截面积；K为样品的体积磁化率；KK为空气的体积磁化率；量纲是cm2/cm3；积分边界条件H为磁场中心的强度，H0为样品顶端的磁场强度。假定KK可以忽略不计，且H0=0，将上式积分，得：helphelp分分子子间间力力也也叫叫范范德德华华力力(Van (Van derder Waals Waals Force)Force)。物物质质通通过过分分子子间间的的力力相相互互吸吸引引，而成一定的状态（一般为三态而成一定的状态（一般为三态）三、分子间的作用力三、分子间的作用力静电力静电力德拜力德拜力1. 1. 定向定向力力orientation forceorientation force是极性分子与极性分子之间的作用力是极性分子与极性分子之间的作用力。当两。当两个极性分子充分接近时，由于同性相斥，异个极性分子充分接近时，由于同性相斥，异性相吸，使分子偶极定向排列，这种力叫定性相吸，使分子偶极定向排列，这种力叫定向力。向力。分子的偶极矩越大，定向力越大。是固有偶分子的偶极矩越大，定向力越大。是固有偶极之间的力。极之间的力。 常温下，常温下，V Vk k00高温下，高温下， V Vk k=0=02. 2. 诱导力诱导力induction forceinduction force 是极性分子与非极性分子之间的作用力是极性分子与非极性分子之间的作用力。非极性分子无偶极矩，但在极性分子的偶非极性分子无偶极矩，但在极性分子的偶极矩的诱导下，极矩的诱导下，产生了瞬间偶极，它与固产生了瞬间偶极，它与固有偶极之间的作用叫诱导力。极性分子的有偶极之间的作用叫诱导力。极性分子的偶极矩越大，非极性分子的变形性越大，偶极矩越大，非极性分子的变形性越大，作用就越强。作用就越强。 与温度无关与温度无关3. 3. 色散力色散力dispersion forcedispersion force 由由于于原原子子的的运运动动，使使电电子子云云和和原原子子核核之之间间发发生生瞬瞬时时的的相相对对位位移移，由由此此产产生生瞬瞬时时偶偶极极。瞬瞬时时偶偶极极之之间间的的作作用用叫叫色色散散力力。这这种种力力在在任任何何分分子子都都存存在在。非非极极性性分分子子之之间间正正是是通通过这种力相互作用的。过这种力相互作用的。分分子子的的体体积积越越大大，变变形形性性越越大大，色色散散力力越越大。大。分子的变形性分子的变形性分子间作用力的特点：分子间作用力的特点： 存在于一切分子、原子之间。存在于一切分子、原子之间。作作用用能能量量一一般般为为几几kJ/mol kJ/mol 到到几几十十kJ/mol kJ/mol ，比化学键小比化学键小1 12 2数量级。数量级。短短程程作作用用。只只有有几几个个A A0 0, ,作作用用力力与与分分子子间间距距离离的的6 6次次方方成成反反比比。所所以以气气体体分分子子之之间间的的作作用力远远小于液体分子之间的作用力。用力远远小于液体分子之间的作用力。无方向性、饱和性无方向性、饱和性通常在三种作用力中，色散力是主要的。通常在三种作用力中，色散力是主要的。范德华力与物理化学性质范德华力与物理化学性质 1、对熔点、沸点、熔化热和汽、对熔点、沸点、熔化热和汽化热的影响化热的影响2、吸附（物理吸附、吸附（物理吸附or化学吸附？）化学吸附？）四、氢键四、氢键 hydrogen bond 1 1 氢键的形成：氢键的形成：XHY用来表示氢键，其中XH键的电子云偏向高电负性的X原子，导致出现屏蔽小的带正电性的氢原子核，它强烈地被另一个高电负性的Y原子所吸引。以以XH YXH Y表示。表示。X,Y= F,O,NX,Y= F,O,N。2 2 氢键形成的本质氢键形成的本质由于高电负性原子的强烈吸引，使与之相由于高电负性原子的强烈吸引，使与之相连的氢原子成裸核，正电荷密度很大，可连的氢原子成裸核，正电荷密度很大，可与另一个电负性大的原子的孤对电子与另一个电负性大的原子的孤对电子通过通过静电引力静电引力而成。而成。 氢键不属于范德华力，也不属于化学键，氢键不属于范德华力，也不属于化学键，是特殊形式的分子间的作用力。是特殊形式的分子间的作用力。它有方向性和饱和性（为什么）它有方向性和饱和性（为什么）氢键的一些特点： 1）大多数氢键XHY是不对称的，HX距离较近，HY距离较远； 2） XHY可以为直线形180，能量上有利；也可为弯曲形，即180; 3）X和Y间的距离作为氢键的键长，键长越短，氢键越强，H原子处于中心点时，是最强的氢键； 4）氢键的实测键长要比氢键中共价键键长加范德华半径之和要短； 5）氢键XHY和YR键间形成的角度，通常为100140之间； 6）一般情况，氢键中H原子是二配位，有时有三、四配位； 7）多数氢键，只有一个H原子是直接指向Y上的孤对电子，但有例外。非常规氢键 1） XH（质子受体是键和大键） 2） XHM（质子受体是富电子的过渡金属） 3） XHHY （二氢键）3 3 氢键的分类氢键的分类1. 1. 分子间氢键分子间氢键( (以水分子为例）以水分子为例）2. 2. 分子内氢键（以邻羟基硝基苯为例）分子内氢键（以邻羟基硝基苯为例）4 4 氢键对物质的性质的影响氢键对物质的性质的影响氢氢键键对对物物质质的的熔熔、沸沸点点、熔熔化化热热、气气化化热热、密密度度、表表面面张张力、黏度有很大的影响力、黏度有很大的影响1.1.为为什什么么对对位位和和邻邻位位硝硝基基苯苯酚酚的的沸沸点点分分别别为为110110和和4545？2 2为什么水有反常的高沸点？为什么水有反常的高沸点？