实验稀溶液法测偶极矩

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1、实验二十二稀溶液法测偶极矩一、目的要求1．用溶液法测定极性分子的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。2．掌握稀溶液法测定偶极矩的实验技术。二、原理　　偶极矩是表示分子中电荷分布情况的物理量，它的数值大小可以量度分子的极性。偶极矩是一个向量，规定其方向由正到负，定义为分子正负电荷中心所带的电荷量q与正负电荷中心之间的距离d的乘积：　　　　　　μ=q·d　　(1)　　从分子的偶极矩数据的大小可以了解分子的对称性、空间构型等结构特征。由于分子中原子间距离数量级是10-8cm，电子电量数量级是10-10静电单位，故分子偶极矩的单位习惯上用"德拜(Deb

2、ye)"表示，记为D，它与国际单位库仑·米(c·m)的关系为：　　1D＝1×10-18静电单位·厘米＝3.336×10-30C·m(2)　　偶极矩的大小与配合物中的原子排列的对称性有关。对于[MA2B2]或[MA4B2]型配合物，他们的反式构型应具有对称中心，其偶极矩为0或者比较小，而顺式构型要大得多。应用这一方法的必要条件是配合物在非极性溶剂中要有一定的溶解度。　　分子偶极矩通常可采用微波波谱法、分子束法、介电常数法等几种方法进行测量。由于受仪器和样品的局限，前两种方法使用极少，文献上发表的偶极矩数据均来自介电常数法。介电常数的测定又主要分频率

3、谐振法和直接电容法，本实验采用小电容测量仪直接测溶液的介电常数--严格地从物理学的意义上讲是与真空相比的相对介电常数，同时也介绍谐振法的实验原理。　　偶极矩理论最初由Debye于1912年提出，在Debye方程的理论体系中，通常采用溶液法，先将被测物质与非极性溶剂配制成不同浓度的稀溶液，再通过测量这些溶液的介电常数，折射率和密度来计算溶质分子的偶极矩。　　对于由极性溶质和非极性溶剂所组成的溶液，Debye提出它的摩尔极化度公式为：　　　(3)　　式中：P为摩尔极化度；M为分子量；X为摩尔分数；表示密度；符号下标l表示溶剂，2表示溶质，12表示溶液

4、。　　摩尔极化度P与介电常数ε之间关系为：　　　　　　　　　　　(4)　　极性分子在交变电场中所产生的摩尔极化度是转向极化、电子极化和原于极化的总和。设P2∞为无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度，应用克劳修斯-莫索蒂-德拜方程得到：　　　　(5)　　式中α2电和α2原分别为溶质分子的电子极化率和原子极化率，μ为偶极矩，N为阿伏加德罗常数。电子极化度P2电可通过测量折射率和密度，并利用罗伦兹一罗伦斯公式求得：　　　　(6)　　式中R为摩尔折射度。　　原子极化度P2原尚无直接测量的实验方法，因它的数值很小，一般将其忽略。由式（5）和式（6）式得　　　　德

5、拜(7)　　设W2为溶质的质量分数．W2=溶质质量/溶液质量，在稀溶液中，溶液的介电常数ε12及折射率的平方nˉ12与W2有线性关系（假设稀溶液中溶剂的性质与纯溶剂的性质相同）：　　　　　　　　　(8)　　　　　　　　　(9)　　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：　　　　　　(10)　　这样，偶极矩的测定就转化成了介电常数的测定问题（想过来了吗？）。任何物质的介电常数ε可借助于某个电容器的电容值来表示。即　　　　　ε＝C/C0≈C/C′0　　(11)　　式中C为某电容器以该物质为介质时的电容值，

6、C0为同一电容器真空时的电容值。C′0为上述电容以空气为介质时的电容值。通常空气的相对介电常数为1.00059，非常接近于1，于是介电常数的测定就变成了电容的测定。换句话说，只要我们能用某种分度值很小（皮法级的，1μF＝106pF＝10-6F）、准确度也很高的电容测量仪测出溶液的电容值来，就可以得到介电常数值。本实验使用南京桑力电子公司生产的小电容测量仪（含电容池）来达到这一目的。　　　　　　　　　　　　图22－1小电容测量仪外形示意图　　当然，我们也可用如下的传统并联谐振电路的相关仪器来解决这一问题：　　　　　　　　　图22－2并联谐振测量电路

7、示意图　　做法是先断开Cx，调节精密可变电容Cs，使电路谐振（并联谐振时阻抗最大），记下Cs读数为Cs°，,然后，把以空气为介质的电容器接在Cx的位置上，同样调节Cs使电路达到谐振，记下Cs的读数为Cs′；最后再分别以待测液为介质的同一电容器换在Cx的位置上，调节Cs，仍使电路达到谐振，此时的读数为Cs″。于是根据前后三个分出的等效电容式　　　Cs°＝Cs′＋C′0＝Cs″＋C　　得待测物质的介电常数为：　　　ε≈C/C′0＝（Cs°-Cs″）/（Cs°-Cs′）（12）　　不论用哪种方法测电容，都必须仔细。因为电容测定的精确与否，将直接影响整个

8、实验的成败。所以，取样、注样、润洗、吹干、取盖上盖等全过程必须很仔细、不得引进杂质；仪器的操作不仅要简练、到位，而且状态要稳定，接口、插