La polarización generalmente se refiere a la tendencia de la materia, cuando se somete a un campo eléctrico , a adquirir un momento dipolar eléctrico en proporción a ese campo aplicado. Es una propiedad de toda la materia, ya que la materia está formada por partículas elementales que tienen carga eléctrica, a saber, protones y electrones . Cuando están sujetos a un campo eléctrico, los electrones cargados negativamente y los núcleos atómicos cargados positivamente están sujetos a fuerzas opuestas y se someten a separación de carga . La polarización es responsable de la constante dieléctrica de un material y, a altas frecuencias (ópticas), de su índice de refracción .
La polarizabilidad de un átomo o molécula se define como la relación entre su momento dipolar inducido y el campo eléctrico local; en un sólido cristalino, se considera el momento dipolar por celda unitaria . [1] Tenga en cuenta que el campo eléctrico local visto por una molécula es generalmente diferente del campo eléctrico macroscópico que se mediría externamente. Esta discrepancia es tomada en cuenta por la relación Clausius-Mossotti (abajo) que conecta el comportamiento de la masa ( densidad de polarización debido a un campo eléctrico externo de acuerdo con la susceptibilidad eléctrica ) con la polarizabilidad molecular debido al campo local.
La polarización magnética también se refiere a la tendencia de un momento dipolar magnético a aparecer en proporción a un campo magnético externo . Las polarizabilidades eléctricas y magnéticas determinan la respuesta dinámica de un sistema ligado (como una molécula o un cristal) a los campos externos y proporcionan información sobre la estructura interna de una molécula. [2] La "polarización" no debe confundirse con el momento dipolar magnético o eléctrico intrínseco de un átomo, molécula o sustancia a granel; estos no dependen de la presencia de un campo externo.
Polarizabilidad eléctrica
Definición
La polarización eléctrica es la tendencia relativa de una distribución de carga, como la nube de electrones de un átomo o molécula , a distorsionarse de su forma normal por un campo eléctrico externo .
La polarizabilidad en medios isotrópicos se define como la relación del momento dipolar inducido de un átomo al campo eléctrico que produce este momento dipolar. [3]
La polarización tiene las unidades SI de C · m 2 · V −1 = A 2 · s 4 · kg −1 mientras que su unidad cgs es cm 3 . Por lo general, se expresa en unidades cgs como el llamado volumen de polarización, a veces expresado en Å 3 = 10-24 cm 3 . Uno puede convertir de unidades SI () a unidades cgs () como sigue:
- ≃ 8,988 × 10 15 ×
dónde , La permitividad del vacío , es de ~ 8,854 × 10 -12 (F / m). Si se indica el volumen de polarizabilidad en unidades cgsla relación se puede expresar generalmente [4] (en SI) como.
La polarizabilidad de partículas individuales está relacionada con la susceptibilidad eléctrica promedio del medio por la relación de Clausius-Mossotti :
donde R = refractividad molar , = Número de Avogadro, = polarizabilidad electrónica, p = densidad de moléculas, M = masa molar, y es la permitividad relativa del material o la constante dieléctrica (o en óptica, el cuadrado del índice de refracción ).
La polarización para medios anisotrópicos o no esféricos no puede representarse en general como una cantidad escalar . Definiendo como escalar implica que los campos eléctricos aplicados solo pueden inducir componentes de polarización paralelos al campo y que el y direcciones responden de la misma manera al campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, un campo eléctrico en el-dirección solo puede producir una componente en y si ese mismo campo eléctrico se aplicara en el -dirección la polarización inducida sería la misma en magnitud pero aparecería en el componente de . Muchos materiales cristalinos tienen direcciones que son más fáciles de polarizar que otros y algunos incluso se polarizan en direcciones perpendiculares al campo eléctrico aplicado [ cita requerida ] , y lo mismo sucede con los cuerpos no esféricos. Algunas moléculas y materiales con este tipo de anisotropía son ópticamente activos o exhiben birrefringencia lineal de luz.
Tensor
Para describir medios anisotrópicos, un tensor de rango dos de polarización o matriz se define,
Los elementos que describen la respuesta paralela al campo eléctrico aplicado son los que se encuentran a lo largo de la diagonal. Un gran valor de aquí significa que un campo eléctrico aplicado en el -dirección polarizaría fuertemente el material en el -dirección. Expresiones explícitas parase han dado para cuerpos elipsoidales anisotrópicos homogéneos. [5] [6]
Aplicación en cristalografía
La matriz anterior se puede utilizar con la ecuación de refractividad molar y otros datos para producir datos de densidad para cristalografía. Cada medición de polarizabilidad junto con el índice de refracción asociado con su dirección producirá una densidad específica de dirección que se puede utilizar para desarrollar una evaluación tridimensional precisa del apilamiento molecular en el cristal. Esta relación fue observada por primera vez por Linus Pauling. [1]
Tendencias
Generalmente, la polarizabilidad aumenta a medida que aumenta el volumen ocupado por electrones. [7] En los átomos, esto ocurre porque los átomos más grandes tienen electrones más flojos en contraste con los átomos más pequeños con electrones fuertemente ligados. [7] [8] En las filas de la tabla periódica , la polarizabilidad, por lo tanto, disminuye de izquierda a derecha. [7] La polarización aumenta hacia abajo en las columnas de la tabla periódica. [7] Asimismo, las moléculas más grandes son generalmente más polarizables que las más pequeñas.
El agua es una molécula muy polar , pero los alcanos y otras moléculas hidrófobas son más polarizables. Es menos probable que el agua con su dipolo permanente cambie de forma debido a un campo eléctrico externo. Los alcanos son las moléculas más polarizables. [7] Aunque se espera que los alquenos y arenos tengan mayor polarización que los alcanos debido a su mayor reactividad en comparación con los alcanos, los alcanos son de hecho más polarizables. [7] Esto se debe a los carbonos sp 2 más electronegativos de los alquenos y arenos a los carbonos sp 3 menos electronegativos del alcano . [7]
Los modelos de configuración de electrones en el estado fundamental son a menudo inadecuados para estudiar la polarizabilidad de los enlaces porque en una reacción se producen cambios drásticos en la estructura molecular [ aclaración necesaria ] . [7]
Polarizabilidad magnética
La polarización magnética definida por las interacciones de espín de los nucleones es un parámetro importante de los deuterones y los hadrones . En particular, la medición de las polarizabilidades de los tensor de nucleones proporciona información importante sobre las fuerzas nucleares dependientes del espín. [9]
El método de amplitudes de espín utiliza el formalismo de la mecánica cuántica para describir más fácilmente la dinámica de espín. La polarización vectorial y tensorial de partículas / núcleos con espín S ≥ 1 se especifican mediante el vector de polarización unitariay el tensor de polarización P ' . Los tensores adicionales compuestos por productos de tres o más matrices de espín son necesarios solo para la descripción exhaustiva de la polarización de partículas / núcleos con espín S ≥ 3 ⁄ 2 . [9]
Ver también
- Dieléctrico
- Susceptibilidad eléctrica
- Densidad de polarización
- MOSCED , un método de estimación de coeficientes de actividad; utiliza la polarizabilidad como parámetro
Referencias
- ↑ a b Lide, David (1998). El Manual CRC de Química y Física . The Chemical Rubber Publishing Company. págs. 12-17.
- ^ L. Zhou; FX Lee; W. Wilcox; J. Christensen (2002). "Polarizabilidad magnética de partículas de hadrones de celosía QCD" (PDF) . Organización Europea de Investigación Nuclear ( CERN ) . Consultado el 25 de mayo de 2010 .
- ^ Introducción a la electrodinámica (tercera edición), DJ Griffiths, Pearson Education, Dorling Kindersley, 2007, ISBN 81-7758-293-3
- ^ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2010). "17". Química física de Atkins . Prensa de la Universidad de Oxford . págs. 622–629. ISBN 978-0-19-954337-3.
- ^ Electrodinámica de medios continuos, LD Landau y EM Lifshitz, Pergamon Press, 1960, págs.7 y 192.
- ^ CE Solivérez, Electrostática y magnetostática de cuerpos elipsoidales polarizados: el método del tensor de despolarización , información científica gratuita, 2016 (segunda edición), ISBN 978-987-28304-0-3 , págs. 20, 23, 32, 30, 33, 114 y 133.
- ^ a b c d e f g h Anslyn, Eric; Dougherty, Dennis (2006). Química orgánica física moderna . Ciencias Universitarias. ISBN 978-1-891389-31-3.[1]
- ^ Schwerdtfeger, Peter (2006). "Aspectos computacionales de los cálculos de polarizabilidad eléctrica: átomos, moléculas y racimos". En G. Maroulis (ed.). Polarizabilidades de dipolo estático atómico . IOS Press .[2] [ enlace muerto permanente ]
- ^ a b AJ Silenko (18 de noviembre de 2008). "Manifestación de polarizabilidad magnética tensorial del deuterón en experimentos de anillo de almacenamiento". Temas especiales de la revista European Physical Journal . Springer Berlín / Heidelberg. 162 : 59–62. Código bibliográfico : 2008EPJST.162 ... 59S . doi : 10.1140 / epjst / e2008-00776-9 . S2CID 122690288 .