Энергия молекул и ее составляющие

 

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

Содержание:

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Уровни энергии молекул

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]: 

Е_эл : Е_кол : Е_вр = 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.

 

2. 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.

 

3. 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.

 

4. 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.

 

5. 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 

 

6. 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)