稀溶液法测定极性分子的偶极矩0109

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1、稀溶液法测定极性分子的偶极矩一、实验目的1.掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。2.熟悉小电容仪、折射仪和比重瓶的使用。3.测定正丁醇的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。二、实验原理1.分子的极性分子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的。分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩μ来度量，其定义为μ＝qd(1)式中：q为正、负电荷中心所带的电荷量，单位是C；d是正、负电荷中心的距离，单位是m。μ是偶极矩，单位是(SI制)库[仑]米(C·m)。而过去习惯使

2、用的单位是德拜(D)：1D=1×10-18静电单位·厘米＝3.338×10-30C·m在不存在外电场时，非极性分子虽因振动，正负电荷中心可能发生相对位移而产生瞬时偶极矩，但宏观统计平均的结果，实验测得的偶极矩为零。极性分子具有永久偶极矩，由于分子热的运动，偶极矩在空间各个方向的取向几率均等，统计值等于零。若将极性分子置于均匀的外电场中，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，称为极化。极化的程度用摩尔极化度P来度量。分子因转向而极化的程度用摩尔转向极化度P转向来表示，因变形而极化的程度用摩尔变形极化度P变形来表示

3、。而P变形又由P电子(电子极化度)和P原子(原子极化度)两部分组成，于是有P＝P转向＋P变形＝P转向＋（P电子＋P原子）(2)P转向与永久偶极矩的平方μ2的值成正比，与热力学温度T成反比：(3)式中:NA为阿佛加德罗(Avogadro)常数；k为玻耳兹曼(Boltzmann)常数。由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P原子，(2)式可写成:P＝P转向＋P电子(4)只要在低频电场(υ＜1010s-1)或静电场中,测得的是P。在中频电场(υ＝1012~1014s-1)(红外频率)时，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，故P转向=

4、0，P＝P变形＝P电子＋P原子。在高频电场（υ≈1015s-1）(紫外可见光)中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P转向=0，P原子=0，所以测得的是P电子。此时电子极化度可以用摩尔折射度R代替。因此，分别在低频和中频电场下测出分子的摩尔极化度，两者相减即可得到P转向，再由(3)式计算μ。通过测定偶极矩，可以了解分子中电子云的分布和分子对称性，判断几何异构体和分子的立体结构。2.极化度与偶极矩摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系为　(5)式中：M为待测物质的摩尔质量(g·mol-1)；ρ为待测物质的密度(g·cm-3)；ε为介电常数

5、。2.溶液法测定偶极矩所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定，然后外推到无限稀释。因为在无限稀的溶液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的摩尔极化度就可视为(5)的P。在稀溶液当中，溶液的摩尔极化度P可用下式求出：（1-溶剂，2-溶质，x-摩尔分数）　(6)将(5)式代入(6)得　　(7)式中：sol代表溶液，ε1，M1，ρ1分别是溶剂的相对介电常数、摩尔质量和密度。M2为溶质摩尔质量。为了省去溶液密度的测量，经Guggenheim和Smith的简化与改进，得到如下公式：d1为溶剂的密度。分子的偶极矩可按下式计算：(7

6、)式中，P∞2和R∞2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度(习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子)；T是热力学温度。本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液，然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P∞2；在可见光下测定溶液的R∞2，然后由(5)式计算正丁醇的偶极矩。(1)极化度的测定无限稀时，溶质的摩尔极化度P∞2的公式为(6)式中，ε1、ρ1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量，其中密度的单位是g·cm-3；M2为溶质的相对分子质量；α和β为常数，可通过稀溶液的近似公式求得：ε溶＝ε1(1＋αx1)(7)

7、ρ溶＝ρ1(1＋βx2)(8)式中，ε溶和ρ溶分别是溶液的介电常数和密度；x2是溶质的摩尔分数。无限稀释时，溶质的摩尔折射度R∞2的公式为(9)式中，n1为溶剂的折射率；γ为常数，可由稀溶液的近似公式求得：n溶＝n1(1＋γx2)(10)式中，n溶是溶液的折射率。(2)介电常数的测定介电常数ε可通过测量电容来求算ε＝C/C0(11)式中，C0为电容器在真空时的电容；C为充满待测液时的电容，由于空气的电容非常接近于C0，故(11)式改写成ε＝C/C空(12)图1电容电桥示意图本实验利用电桥法测定电容，其桥路为变压器比例臂电桥，如图1所示，电桥平衡的条件

8、是式中，C′为电容池两极间的电容；CS为标准差动电器的电容。调节差动电容器，当C′＝CS时，uS＝uX，此时