이온 극화

이온 극화

이온 극화가 무엇인지 이해하기 전에 소듐 클로라이드(NaCl) 분자가 어떻게 형성되는지 살펴보겠습니다. 소듐 클로라이드(NaCl) 분자는 소듐과 염소 원자 사이의 이온 결합으로 형성됩니다. 소듐 원자는 가장 바깥쪽 궤도에 8개의 전자를 가지기 위해 하나의 전자를 내어줍니다. 이렇게 해서 소듐 원자는 양이온이 됩니다. 반면 염소 원자는 가장 바깥쪽 궤도에 8개의 전자를 가지기 위해 하나의 전자를 받아 음이온이 됩니다. 이제 양전하를 가진 소듐과 음전하를 가진 염소 이온 사이의 정전기력으로 인해 서로 결합하여 소듐 클로라이드 분자가 형성됩니다. 자연스럽게 각각의 소듐 클로라이드 분자는 양극단과 음극단을 가지고 있습니다. 왜냐하면, 소듐 부분은 양이온의 존재로 인해 약간 양전하를 띠고, 염소 부분은 음이온의 존재로 인해 약간 음전하를 띠기 때문입니다.

소듐 클로라이드 분자 내에서 핵 간 거리가 있기 때문에, 외부 전기장이 없더라도 분자 내에는 반드시 디폴 모멘트가 존재해야 합니다. 소듐 클로라이드 분자는 두 개의 원자 (이온) 만이 있으므로, 각 분자마다 음이온에서 양이온 방향으로 지향하는 단일 디폴 모멘트가 있어야 합니다. 그러나 많은 이온 화합물은 두 개 이상의 원자를 가지고 있습니다. 이러한 경우에는 한 분자당 여러 개의 이온 결합이 있으며, 따라서 분자 내 디폴 모멘트의 수는 결합의 수만큼 많아야 합니다. 그러나 모든 디폴 모멘트는 상대적으로 음전하를 띠는 이온에서 양전하를 띠는 이온 방향으로 지향합니다. 한 분자의 결과적인 디폴 모멘트는 분자의 개별 디폴 모멘트의 벡터 합입니다.

분자가 대칭 중심을 가지면, 분자는 여러 개의 이온 간 디폴 모멘트를 가질 수 있지만, 분자의 전체적인 결과적인 디폴 모멘트는 0이 됩니다. 분자의 비대칭 구조에서만 분자의 순 디폴 모멘트가 나타납니다. 이 분자의 순 디폴 모멘트는 외부 전기장이 없더라도 분자 내에 존재하므로 영구적 디폴 모멘트라고 부릅니다. 다음 도형들을 참고해 보겠습니다. 첫 번째 도형에서는 분자가 두 개의 원자로 구성되어 있으며, 음이온에서 양이온 방향으로 지향하는 단일 디폴 모멘트만 있습니다. 두 번째 도형에서는 분자가 대칭 중심을 가지며, 두 개의 디폴 모멘트가 있지만 서로 상쇄되어 분자의 순 디폴 모멘트는 없습니다. 세 번째 도형에서는 비대칭 구조로 인해 순 디폴 모멘트가 있습니다. 따라서 분자는 영구적 디폴 모멘트를 가질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있지만, 외부 전기장이 적용되면 분자의 음이온은 적용된 전기장의 양극 방향으로 이동하려 하며, 양이온은 음극 방향으로 이동하려 합니다.

이것이 이온 극화라고 합니다. 단위 부피 당 N개의 극화된 분자가 있는 경우, 물질의 이온 극화는 다음과 같이 주어집니다.

여기서, μionic은 외부에서 적용된 전기장으로 인한 분자의 평균 유도 디폴 모멘트입니다. 이것은 명백히 적용된 전기장의 강도와 비례합니다. 따라서,

또한, 외부 전기장이 적용되면 분자의 각 원자의 양핵과 음전자 사이에 약간의 이동이 발생합니다. 그 결과, 분자의 각 원자에는 전자 디폴 모멘트가 생깁니다. 이 전자 디폴 모멘트도 단위 부피 당 분자의 수와 적용된 전기장의 강도에 비례합니다. 이를 α 전자라고 하는 극화율 또는 비례 상수로 표현할 수 있습니다.

말할 필요도 없이, 언제든지 전기장이 이온 화합물의 유전체에 적용되면, 두 가지 유형의 극화가 발생합니다. 이들은 이온 극화와 전자 극화입니다. 총 극화는 이 두 가지 극화의 합입니다.

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