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4.4 分子偶极矩和极化率分子偶极矩和极化率（dipole moments and polarizability）什么是偶极矩什么是偶极矩?偶极矩是表示分子中电子分布物理量。分子由带正电原子核偶极矩是表示分子中电子分布物理量。分子由带正电原子核和带负电电子组成，对于中性分子，正负电荷相等，整个分子是电和带负电电子组成，对于中性分子，正负电荷相等，整个分子是电中性，但正负电荷中心能够重合，也能够不重合。正负电荷不重中性，但正负电荷中心能够重合，也能够不重合。正负电荷不重合分子称为极性分子，它有偶极矩。合分子称为极性分子，它有偶极矩。偶极矩物理意义：偶极矩物理意义：它是个矢量，这里我们要求其方向是由正电荷中心指向负电荷中它是个矢量，这里我们要求其方向是由正电荷中心指向负电荷中心，偶极矩心，偶极矩是正负电荷中心间距离是正负电荷中心间距离r与电荷量与电荷量q乘积，即：乘积，即：偶极矩单位为库仑米（偶极矩单位为库仑米（）。）。第1页偶极矩产生原因：偶极矩产生原因：因为组成份子或化学键原子电负性差异，它们对于电子因为组成份子或化学键原子电负性差异，它们对于电子云吸引能力不一样。所以它们正负电荷中心就会不重合，从而云吸引能力不一样。所以它们正负电荷中心就会不重合，从而产生偶极矩。比如在产生偶极矩。比如在HCl分子中，因为氯原子电负性比氢原子分子中，因为氯原子电负性比氢原子强，所以电子云向氯原子附近靠近，这么氯原子就带由少许负强，所以电子云向氯原子附近靠近，这么氯原子就带由少许负电荷，然而因为电荷，然而因为HCl分子是电中性，那么氢原子就带有少许分子是电中性，那么氢原子就带有少许正电荷。这么正电荷。这么HCl分子正负电荷中心就不重合了，产生了偶极分子正负电荷中心就不重合了，产生了偶极矩。矩。第2页偶极矩大小：偶极矩大小：若有电量为一个元电荷（若有电量为一个元电荷（）正负电荷）正负电荷相距相距10-10m，则其偶极矩为，则其偶极矩为 在在cgs制中，上述情况下制中，上述情况下。这里。这里D称称Debye（德拜），是分子偶极矩一个单位。（德拜），是分子偶极矩一个单位。比如上页例子种比如上页例子种HCl分子偶极矩为分子偶极矩为1.82D。第3页4.4.1 分子偶极矩和分子结构（分子偶极矩和分子结构（Molecule dipole moments and the structure of molecule）键偶极矩键偶极矩(bond dipole moments)：只要成键两个原子是不一样，它们在电负性上就有差异。它们对只要成键两个原子是不一样，它们在电负性上就有差异。它们对于成键电子吸引能力就有差异。这么就会造成电子云向一边移动，于成键电子吸引能力就有差异。这么就会造成电子云向一边移动，这么正负电荷中心就不重合，从而产生偶极矩。产生键偶极矩大小主这么正负电荷中心就不重合，从而产生偶极矩。产生键偶极矩大小主要是由成键两个原子电负性差决定。要是由成键两个原子电负性差决定。我们要想研究分子偶极矩必须先研究组成份子化学键我们要想研究分子偶极矩必须先研究组成份子化学键偶极矩。偶极矩。第4页 因为因为Cl原子电负性比原子电负性比C大，这么在大，这么在Cl原子周围就有多出原子周围就有多出负电荷（负电荷（-），），C原子周围就有多出正电荷（原子周围就有多出正电荷（+），因），因此此CCl键含有极性。这个键被称为极性共价键。键含有极性。这个键被称为极性共价键。第5页若干化学键键矩若干化学键键矩第6页分子偶极矩分子偶极矩 分子偶极矩由分子中全部原子和性质以及它们相对位分子偶极矩由分子中全部原子和性质以及它们相对位置决定。若不考虑键相互影响，并认为每个键能够贡献它自置决定。若不考虑键相互影响，并认为每个键能够贡献它自己偶极矩，则分子偶极矩可近似地由键偶极矩（键矩）己偶极矩，则分子偶极矩可近似地由键偶极矩（键矩）按矢量加和而得。按矢量加和而得。Example：第7页第8页比如，比如，H2O分子中分子中HO键键矩经过查表键键矩经过查表4.4.2为为 HOH=104.5假如认为假如认为H2O分子偶极矩为两个分子偶极矩为两个HO键键矩矢量和，则键键矩矢量和，则第9页分子对称性和偶极矩关系：分子对称性和偶极矩关系：分子有没有偶极矩与分子对称性有亲密关系，可依据分子分子有没有偶极矩与分子对称性有亲密关系，可依据分子对称性为分子有没有偶极矩做出简单而明确判据：对称性为分子有没有偶极矩做出简单而明确判据：只有属于只有属于 和和 这两类点群分子这两类点群分子才含有偶极矩。才含有偶极矩。第10页特殊情况：特殊情况：点群也包含在点群也包含在 之中。之中。而其它点群分子偶极矩为而其它点群分子偶极矩为0。第11页 上述判据物理基础是因为偶极矩是分子静态性质，这种上述判据物理基础是因为偶极矩是分子静态性质，这种静态性质特点是它在分子所属点群每一个对称操作下，其静态性质特点是它在分子所属点群每一个对称操作下，其大小和方向必须保持不变。所以，偶极矩矢量必须坐落在每一对大小和方向必须保持不变。所以，偶极矩矢量必须坐落在每一对称元素上。由此可见，含有对称中心分子不可能由偶极矩，因称元素上。由此可见，含有对称中心分子不可能由偶极矩，因为处于点上矢量其大小为为处于点上矢量其大小为0。第12页第13页分子偶极矩和分子结构关系应用举例：分子偶极矩和分子结构关系应用举例：第14页4.4.2 分子诱导偶极矩和极化率（分子诱导偶极矩和极化率（Induced dipole moments and induced polarizability）前面讲是永久偶极矩，它是分子本身固有性质，与是前面讲是永久偶极矩，它是分子本身固有性质，与是否由外加电场无关。当没有外电场时，因为热运动，分子取向否由外加电场无关。当没有外电场时，因为热运动，分子取向机遇，大量分子平均偶极矩为机遇，大量分子平均偶极矩为0。在电场中，分子产生诱导极化，它包含两部分在电场中，分子产生诱导极化，它包含两部分（i）电子极）电子极化，由电子与核产生相对位移引发。（化，由电子与核产生相对位移引发。（ii）原子极化，由原子）原子极化，由原子核间产生相对位移，即键长键角改变引发。核间产生相对位移，即键长键角改变引发。第15页定义：定义：诱导极化诱导极化又称变形极化，对于极性分子还有定向极化，它是又称变形极化，对于极性分子还有定向极化，它是因为在电场中永久偶极矩转到与电场方向反平行趋势，出现择因为在电场中永久偶极矩转到与电场方向反平行趋势，出现择优取向所引发。诱导极化产生诱导偶极矩（优取向所引发。诱导极化产生诱导偶极矩（诱），即），即E为物体内部分子直接感受到电场强度；为物体内部分子直接感受到电场强度；称为分子极化率，其因称为分子极化率，其因次为次为第16页 极化率极化率和摩尔折射度（和摩尔折射度（molar refractivity）R相关。相关。在光电磁场作用下，测定物质折光率（在光电磁场作用下，测定物质折光率（n），可求得摩），可求得摩尔折射度。尔折射度。式中式中M为摩尔质量，为摩尔质量，d为物质密度，为物质密度，R主要反应电子极化率。主要反应电子极化率。第17页 因为光频率很高，分子定向改变跟不上高频光电场变因为光频率很高，分子定向改变跟不上高频光电场变化，而原子极化只占诱导极化中极少一部分，能够忽略。摩尔化，而原子极化只占诱导极化中极少一部分，能够忽略。摩尔折射度和极化率成正比，按折射度和极化率成正比，按Lorenz-Lorentz(劳伦斯劳伦斯劳伦兹劳伦兹)方方程，可得程，可得NA为为Avogadro常数，常数，0为真空介电常数。由此式可得为真空介电常数。由此式可得第18页离子对分子极化效应：离子对分子极化效应：第19页4.5 分子手性和旋光性（分子手性和旋光性（chirality(or handedness)）含有含有旋光性旋光性分子，其特点是分子本身和它镜像只有对分子，其特点是分子本身和它镜像只有对映关系而不完全相同，是映关系而不完全相同，是等同等同而非全同图形。而非全同图形。所谓等同，是指这个图形每一点在对映图形中必可找到一个所谓等同，是指这个图形每一点在对映图形中必可找到一个相当点，这个图形中任意两点间距离等于对映图形中两个相相当点，这个图形中任意两点间距离等于对映图形中两个相当点间距离；所谓非全同，是指不能经过平移或转动等第一当点间距离；所谓非全同，是指不能经过平移或转动等第一类对称操作使两个图形叠合。类对称操作使两个图形叠合。第20页 一对等同而非全同分子，组成一对对映体，称为旋光一对等同而非全同分子，组成一对对映体，称为旋光异构体，如同人左右手一样。这种没有第二类对称元素异构体，如同人左右手一样。这种没有第二类对称元素分子称为手性分子。两种对映手性分子惯用记号分子称为手性分子。两种对映手性分子惯用记号R和和S或或D和和L来区分。来区分。第21页第22页1.含有不对称碳原子（或氮原子）化合物含有不对称碳原子（或氮原子）化合物手性分子一些特征手性分子一些特征第23页2.螺旋形分子螺旋形分子 一切螺旋形结构分子，不论有没有不对称碳原子都是手性一切螺旋形结构分子，不论有没有不对称碳原子都是手性分子，没有例外，比如分子，没有例外，比如-螺旋体，六螺烯等。螺旋体，六螺烯等。3.丙二烯型和联苯型化合物，以及受空间妨碍效应影响而变形丙二烯型和联苯型化合物，以及受空间妨碍效应影响而变形分子分子第24页4.风扇型分子风扇型分子一些螯合物，螯合配位体象风扇排布。一些螯合物，螯合配位体象风扇排布。第25页
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