حرکت های مولکولی

یک مولکول می تواند دارای حرکت های زیر باشد:

۱- انتقالی : (translation) عبارت از حرکت مرکز جرم مولکول است .

۲- دورانی یا چرخشی :  ( rotation) عبارت از حرکت دورانی مولکول حول محوری که از مرکز جرم آن می گذرد.

۳- ارتعاشی  :  (vibration) شامل نوسان اتم های مولکول به نحوی که مجموعا تاثیری در حرکت مرکز جرم یا دوران حول این مرکز نداشته باشد.

بررسی انواع حرکت ها در مولکول :

الف : مولکول تک اتمی : این نوع مولکول ها فقط دارای ۳ حرکت انتقالی در سه جهت محورهای x,y,z هستند و دارای حرکت های دیگر نیستند.

ب : مولکول دو اتمی : این نوع مولکول ها دارای سه نوع حرکت انتقالی ، ۲ حرکت دورانی و یک حرکت چرخشی می باشند .برای نمونه مولکول را در نظر بگیرید .اگر محور X را بعنوان محور پیوند در نظر بگیریم ، که مرکز جرم آن نیز روی این محور قرار دارد ، در خواهیم یافت که مرکز جرم این مولکول درراستای یکی از محورهای x,y,z می تواند جابجا شده و دارای سه حرکت انتقالی خواهد بود . حال اگر محوری که از مرکز جرم آن می گذرد و همین محور راستای پیوند آن نیز باشد و این محور را x بنامیم ، این مولکول دارای دو حرکت چرخشی خواهد بود . یکی حول محور y و دیگری حول محور z . در مولکول دو اتم H و می توانند از هم دور و یا نزدیک شوند ، پس دارای یک حرکت ارتعاشی نیز خواهد بود . این بررسی درمورد کلیه مولکول های خطی صادق است . بنابر این هر مولکول خطی یا دو اتمی در مجموع می تواند دارای ۳حرکت انتقالی ، ۲ حرکت چرخشی و ۱ حرکت ارتعاشی باشد . بنابر این هر مولکول خطی دارای ۶ درجه آزادی است.

ج : سایر مولکول ها : در سایر مولکول ها درجات آزادی از رابطه N 3 محاسبه می شود. که N تعداد اتم های تشکیل دهنده مولکول است . که ۳حرکت انتقالی ، ۳حرکت چرخشی و بقیه آن ارتعاشی خواهد بود . اگر ماده از حالت گاز به حالت مایع یا جامد تبدیل شود ، از تعداد درجه های آزادی مولکول ها کاسته می شود . به عنوان نمونه اگر هیدروژن کلرید گاز به مایع تبدیل شود وجود نیروهای جاذبه بین مولکولی از چرخش کامل مولکول جلوگیری می کند و مولکول تنها دارای حرکت انتقالی و ارتعاشی می شود . یعنی حد اکثر درجات آزادی آن ۴ می شود. بنا بر این انتظار داریم ظرفیت گرمایی ویژه این ماده در حالت مایع بیشتر از حالت جامد باشد.چون درجات آزادی در حالت مایع بیشتر از حالت جامد است . در حالت مایع میانگین شدت جنبش های انتقالی ، ارتعاشی و چرخشی ممانعت شده و در حالت جامد فقط میانگین شدت جنبش های ارتعاشی باید افزایش می یابد تادمای ۱ گرم به اندازه ۱ درجه زیاد شود.

بررسی ظرفیت گرمایی گاز ها : وقتی گازی را گرم می کنیم ، انرژی جذب شده ، سبب بالا رفتن انرژی انتقالی آن می شود و در مورد گاز های چند اتمی افزایش انرژی سبب افزایش انرژی چرخشی و ارتعاشی نیز می شود. گرمای ویژه متوسط در هر دما عبارت است از مجموع گرماهای ویژه جنبشی انتقالی ، چرخشی و ارتعاشی .

ظرفیت گرمایی گاز های تک اتمی : نتایج تجربی نشان می دهد که ظرفیت گرمایی مولی برای گاز های تک اتمی در فشار ثابت ۷۹/۲۰ است . گرمای ویژه در این گازها فقط شامل انرژی جنبشی انتقالی است .

ظرفیت گرمایی گاز های دو اتمی: برای این نمونه از گازها علاوه بر سه درجه آزادی انتقالی ، دو درجه آزادی ناشی از چرخش نیز باید در نظر گرفت . مقدار از نظر تئوری برای این نموه گاز در دمای معمولی ۲۸۸/۲۹ است . ولی در دمای بالا انرژی چرخش نیز باید در نظر گرفت که حد اکثر به ۶۵۶/۳۷ می رسد. چرا ظرفیت گرمایی مولی گاز های دو اتمی مانند گاز های تک اتمی برابر نیست ؟ با توجه به اینکه درجات آزادی آن ها برابر است ؟ میزان شدت بر انگیختگی مولکول ها به جرم اتمی آن ها و استحکام پیوند بین دو اتم بستگی دارد . به عنوان نمونه مولکول های که جرم مولکولی سنگین تری نسبت به اکسیژن دارند ، ظرفیت گرمایی بزرگتری نسبت به اکسیژن دارند .

ظرفیت گرمایی گاز های چند اتمی: اگر ساختمان مولکول خطی باشد ، برای انرژی جنبشی انتقالی و چرخشی همان ۵ درجه آزادی وجود دارد ولی تعداد درجه آزادی ناشی از ارتعاش خیلی زیاداست .

ظرفیت گرمایی جامدات : در مورد ظرفیت گرمایی جامدات کار های زیادی انجام گرفته است ، از جمله به دولن و پتی می توان اشاره نمود . این دو دانشمند در سال ۱۸۱۹ به طور تجربی دریافتند که ظرفیت گرمایی اتمی عناصر در دمای معمولی و فشار ۱ آتمسفر نزدیک به عدد ۲/۶ کالری بر اتم گرم است . در اجسام جامد اتم ها در شبکه بلور تثبیت شده اند و حرکت انتقالی و چرخشی ندارند و فقط دارای حرکت ارتعاشی هستند . لوویس و گیبسون به طور تجربی دریافتند که ظرفیت گرمایی اتمی در حجم ثابت و در دمای معمولی برابر ۹/۵ کالری بر اتم گرم بر درجه است . قانون دولن و پتی در ابتدا بسیار مورد توجه قرار گرفت و نقش بسیار مهمی در تعیین جرم اتمی عناصر جامد داشت . ولی پس از بررسی های بیشتر مشخص شد که این قاعده فقط در مورد عناصر سنگین و آن هم در دمای معمولی قابل قبول است و در دمای پایین اعتباری ندارد . . زیرا این قانون ظرفیت گرمایی را مستقل از دما در نظر می گیرد ، در حالیکه ظرفیت گرمایی تابعی از دما می باشد . پیشرفت علم مکانیک کوانتومی و پدیده کوانتومی بودن انرژی تعبیر نتایج تجربی ظرفِت گرمایی را امکان پذیر ساخت . انیشتین انرژی ارتعاشی بلور را برابر در نظر گرفت البته برای هر بلور متفاوت است که باید به طور تجربی محاسبه شود. دبای ، ظرفیت گرمایی اتمی اجسام را مورد مطالعه قرار داد و بیان داشت که در نزدیکی های صفر مطلق ظرفیت گرمایی شدیدا کوچک شده و به صفر نزدیک می شود . اجسامی که نیروی بین اتمی قوی دارند بزرگ است و در مورد الماس مقدار آن حدود ۱۸۴۰تا ۱۸۶۰ است . در مورد فلزاتی که نرم و چکش خوارند مانند مس و نقره مقدار آن به ترتیب برابر با ۳۱۵ و ۲۱۵ می باشد . بررسی ظرفیت گرمایی آب : ظرفیت گرمایی مولی آب در دمای اتاق در حالت یخ ، مایع و بخار به ترتیب ۴۰/۳۷، ۳۸/۷۵ و ۸۰/۳۶ ژول بر مول بر درجه سلسیوس می باشد . مشاهده می شود که ظرفیت گرمایی مولی آب به حالت فیزیکی بستگی دارد . حال به بررسی علت این تفاوت می پردازیم : مقایسه ظرفیت گرمایی مولی آب در حالت جامد و مایع : علت این تفاوت را می توان در درجات آزادی جستجو کرد زیرا در حالت جامد درجات آزادی کمتر بوده و ظرفیت گرمایی مولی کمتر است. مقایسه ظرفیت گرمایی مولی آب در حالت بخار و مایع : ظرفیت گرمایی حالت مایع بیشتر است . علت آن را نمی توان به درجات آزادی نسبت داد زیرا در حالت بخار درجات آزادی بیشتر است ، پس علت آن در تشکیل پیوند هیدروژنی مولکول های آب در حالت مایع دانست. مقایسه ظرفیت گرمایی مولی آب در حالت بخار وجامد: ظرفیت گرمایی مولی در حالت جامد بیشتر است . در این مورد نیز علت را در تشکیل پیوند هیدروژنی مولکول های آب در حالت جامد دانست. نتیجه کلی : بررسی عوامل موثر بر ظرفیت گرمای ویژه و مولی : با توجه به نتایج بالا می توان عوامل زیر را در ظرفیت گرمایی مولی و ویژه موثر دانست : ۱- درجات آزادی ۲- حالت فیزیکی ۳- جرم مولی ۴- نیروهای بین مولکولی ۵- شبکه کریستالی ۶- شکل هندسی مولکول ۷- دما

منبع : سایت جهان تاب

کتاب شیمی فیزیک اتکینز

شیمی عمومی مورتیمر

شیمی معدنی اقا بزرگ