[科普中国]-分子极化

无论是非极性分子还是极性分子，在外电场作用下，分子内的正、负电荷中心都会发生相对位移，产生诱导偶极，这一过程叫作分子极化。极性分子在无外电场作用时所具有的极性，称为固有偶极。分子在外电场作用下所产生的极性，称为诱导偶极。1

分子极性分子中成键两原子的电负性相同时，形成的共价键正负电荷重心重合，叫做非极性共价键；成键两原子的电负性不相同时，形成的共价键正负电荷重心不重合，叫做极性共价键。键的极性大小取决于成键两原子的电负性差值，电负性差值越大，键的极性越强。

同样，分子也有极性和非极性之分。正负电荷重心重合的分子叫做非极性分子；正负电荷重心不重合的分子叫做极性分子，极性分子中的正负电荷重心称为极性分子的固有偶极。对双原子分子而言，分子的极性与键的极性一致，键有极性，分子必然有极性；键无极性，则分子无极性。对多原子分子而言，分子的极性取决于键的极性和分子的空间构型。如果各条键均无极性，则分子无极性，如P4、S8、石墨等。如果分子中键有极性，分子的极性还与分子的空间构型有关，分子空间构型完全对称时，键的极性被抵消，正负电荷重心重合，分子无极性，是非极性分子，如CO2、CH4等；分子空间构型不对称时，键的极性不能抵消，正负电荷重心不重合，分子有极性，是极性分子，如H2O、NH3等。

分子的极性大小可以用偶极矩口描述。若分子中偶极的电量为q，偶极之间的距离为d，两者的乘积即为偶极矩μ。

偶极矩是一个矢量，单位为C·m，方向从正极指向负极。偶极矩的大小体现了分子极性的强弱，偶极矩越大，分子极性越强。偶极矩可以通过实验测定。下表为某些气态分子偶极矩的实验数据。2

分子的极化机理偶极矩是分子固有的，称作永久偶极矩（permanent dipole moment）。分子在外电场的作用下也能产生偶微矩。外电场的正极吸引分子中的电子，推斥原子核；外电场的负极吸引原子核，推斥电子。在外电场的作用下．分子的正负电荷中心产生相对位移，这样产生的偶极矩称作诱导偶极矩（induced dipole moment），如下图所示。无论是极性分子或非极性分子在外电场作用下都会产生诱导偶极矩，所以极性分子的偶极矩将增加。在此，外电场可以是正、负离子，也可以是极性分子。

外电场使分子中的电子云分布发生变形，产生诱导偶极矩的现象称作极化（polarization）。分子在外电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移，分子发生变形，称为分子的变形性（deformability）。外电场愈强，分子变形性愈大，诱导偶极矩愈大。

分子之间相互作用时也可以发生分子的极化，这正是分子间存在相互作用力的重要原因。3

分子极化率描述电介质极化特性的微观参数，简称极化率。无论哪一种电介质，其组成的分子在外电场作用下会出现感应偶极矩。一般，分子的感应偶极矩μ与作用于它的有效电场强度Ei成正比，即

比例常数α称为分子极化率，单位是F·m2。

对应于电子位移极化、原子（离子）位移极化和转向极化的极化率分别为电子极化率、原子（离子）极化率和转向极化率。电子极化率αe的大小与原子或离子的半径有关，而与温度无关。离子极化率αi与离子间的距离有关，随着温度升高而增大，但增加很小。转向极化率αd与温度的关系密切，当场强不高而温度又不太低时，即分子热运动的无序化作用占优势的情况下，转向极化率随着温度上升而减小。4

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所