35. Электрический момент молекул

Из описанных в предыдущем параграфе закономерностей вытекает простая возможность выяснения наличия у молекулы постоянного электрического момента (дипольного момента) и измерения этого момента. Поляризуемость молекулы и, следовательно, диэлектрическая постоянная (отнесенная к равной плотности, т. е. к одинаковому числу частиц) не зависит от температуры, если молекула не имеет постоянного электрического момента. Когда, напротив, имеется постоянный момент, поляризуемость, а следовательно, и диэлектрическая постоянная уменьшаются при повышении температуры.

Следовательно, по независимости диэлектрической постоянной от температуры можно непосредственно судить об отсутствии постоянного момента. Если, с другой стороны, диэлектрическая постоянная зависит от температуры, то по формуле (67) или (68) вычисляется молекулярная поляризуемость а. Нанесенная как функция последняя, по формуле (66), должна дать прямую, из наклона которой может быть получена величина постоянного момента.

Знание электрического момента молекулы дает важные сведения о ее структуре. В частности, когда электрический момент равен нулю, можно притти к общему выводу о том, что отсутствие постоянного момента связано с симметрией молекулы. Почти невероятно, что момент только случайно неизмеримо мал. Например, фактом отсутствия постоянного момента у молекул подтверждается принятая по стехиометрическим соображениям тетраэдрическая структура этих молекул. Наоборот, следует ожидать электрического момента, если, например, в метане симметрия нарушается частичным замещением атомов водорода. Центральная симметрия тогда уничтожается, и, действительно, у молекул и др. наблюдается электрический момент.

В этом отношении особый интерес представляет молекула бензола. В соответствии со структурной формулой она не имеет электрического момента. Но все ее простые замещенные

производные, как, например, обладают диполь моментом, что понятно из структурной формулы:

Из трех двукратно замещенных хлорбензолов: мета- и парздихлорбензола

на основании соотношений симметрии, только два первых, должны являться электрическими диполями. Представим себе, что каждому атому хлора, расположенному в бензольном кольце, соответствует направленный к центру кольца электрический момент, величина которого совпадает с величиной дипольного момента монохлорбензола Тогда полный момент ортодихлорбензола является результирующей двух таких моментов, образующих друг с другом угол в 60°. Его величина равна, следовательно, метадихлорбензола направления обоих составляющих моментов образуют угол в 120°. Величина полного момента поэтому равна величине единичного момента парадихлорбензола, в котором атомы хлора расположены симметрично, нельзя ожидать наличия электрического момента, так как оба вектора имеют

противоположиые направления. Эти данные сопоставлены ниже с результатами эксперимента:

Совпадение — весьма хорошее. Отклонения объясняются тем, что в действительности углы не полностью соответствуют принятым нами упрощениям.

В некоторых простых случаях по отсутствию дипольного момента можно непосредственно определить структуру молекулы. Так, молекула двуокиси углерода не имеющая момента, может иметь только линейную форму, изображенную на фиг. 28, так как для любой другой формы момент будет отличен от нуля. Такую же симметричную структуру, подтвержденную, впрочем, другими методами, имеет также неполярная молекула сероуглерода Наоборот, в а также в атомы образуют равнобедренный треугольник (фиг. 28). Все эти молекулы обладают большими динольными моментами. У молекулы аммиака равноценность трех атомов водорода и существование электрического момента заставляет предположить пирамидальное расположение, в котором атомы водорода образуют лежащий в основании равносторонний треугольник, а равноотстоящий от всех трех атомов водорода а, ом азота располагается на вершине пирамиды.

Фиг. 28. Структура молекул