稀溶液法测定偶极矩讲解.doc

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1、华南师范大学实验报告学生姓名学号专业化学（师范）年级班级课程名称结构化学实验实验项目稀溶液法测定偶极矩实验类型□验证□设计√综合实验时间2013年10月29日实验指导老师彭彬实验评分【实验目的】1.掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术2.了解偶极矩与分子电性质的关系3.测定正丁醇的偶极矩【实验原理】1．偶极矩与极化度分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核及内层电子）所构成。由于空间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。1912年，德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义是①式

2、中，q是正负电荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；是一个矢量，其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为10-10m，电荷的数量级为10-20C，所以偶极矩的数量级是10-30C·m。通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称性，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向某个方向的机会均等。所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场E中，则偶极矩在电场的作用下，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度Pμ来衡量

3、。Pμ与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度T成反比。②式中，k为波兹曼常数；NA为阿弗加德罗常数；T为热力学温度；μ为分子的永久偶极矩。在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子，都会发生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会发生形变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度P诱导来衡量。显然，P诱导可分为两项，即电子极化度Pe和原子极化度Pa，因此P诱导=Pe+Pa③如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。当处于频率小于1010HZ的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度P是转向极化、电子极化和原子极化的总和。P

4、=Pμ+Pe+Pa④如何从测得的摩尔极化度P中分别出Pμ的贡献呢？介电常数实际上是在107HZ一下的频率测定的，测得的极化度为Pμ+Pe+Pa。若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有Pe和Pa的贡献了。所以从按介电常数计算的P中减去红外线频率范围测得的极化，就等于Pμ，在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽略，则在可见光范围：Pμ=P-(Pe+Pa)≈P-Pe⑤2.摩尔极化度的计算克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式。⑥式中，M为被测物质的摩尔质量；ρ为该物质的密度；

5、ε是介电常数。但式⑥是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的气相体系，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。因袭后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是式⑥中的P。在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。因此，式⑥可以写成：⑦式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；x1表示溶剂的摩尔分数；x2表示溶质的摩尔分数；表示溶剂的摩尔极化度；表

6、示溶质的摩尔极化度。对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则⑧⑨Hedestrand首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为⑩⑪因此⑫做ε1，2-x2图，根据式⑦由直线测得斜率a，截距ε1；作ρ1,2-x2图，并根据式⑪由直线测得斜率b，截距ρ1，代入式⑫得3.由折光度计算电子极化度Pe电子极化度可以使用摩尔折光度R代替，即⑬根据测量的溶液折射率n1,2作图n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式⑬计算出Pe。3.介电常数的测定介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容器的电

7、容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质的电容器两板间电势差就会减少。设C0为极板间处于真空时的电容量，C为充以电解质时的电容量，则C与C0的比值ε称为该电解质的介电常数：ε=⑭法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是由于电解质在电场中极化而引起的。极化作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干扰性能好，精度高，但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所测得的电容C'样品包括了样品的电容C样品和电容池的分布电容Cx两部分，即C'样品=C样品+Cx⑮

8、对于给定的电容池，必须先测出其分布电容Cx。可以先测出以空气为介质的电容，记为C'空，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容C'标。