实验十五 溶液法测定极性分子的偶极矩

《实验十五 溶液法测定极性分子的偶极矩》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、实验十五溶液法测定极性分子的偶极矩一、实验目的1.理解偶极矩与分子电性质的关系，掌握物质偶极矩的测定原理和实验方法。2.掌握小电容仪、折射仪和密度仪的使用。3.用溶液法测定正丁醇的偶极矩。二、实验原理分子是构成物质的基本微粒，分子结构决定物质的基本性质。因此，了解分子结构及其性质是掌握和应用物质性质的前提。本实验就是了解分子电性质的基础性实验，下面介绍有关原理。1.偶极矩与极化度分子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。由于正、负电荷总数相等，整个分子是电中性的。然而，由于电子云在空间分布的不同，即分子空间构型的不同，正、负电荷中心可能

2、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⋅式中，q为正、负电荷中心所带的电荷量;d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库﹒米(C·m)。通过测定分子的偶极矩，可获得分子结构中电子云的分布、分子的对称性等信息，并可据常判断分子的几何构型和分子的立体结构等。当极性分子置于一均匀的外电场中，分子将沿外电场方向排列，此时称这些分子被极化，其极化程度常用摩尔转向极化度P来度量。P与分子的永久转向转向偶极矩的关系为24μPN=π转向A9kTB式中，NA为阿佛加德罗(Avogadro

3、)常数;k为玻耳兹曼(Boltzmann)常数;T为热力B学温度。在外电场作用下，极性或非极性分子中的电子云都会发生对分子骨架的相对移动，分子骨架本身也会发生一定的变形。这种现象称为诱导极化或变形极化，这种极化的程度可用摩尔诱导极化度P来衡量诱导PPP=+诱导电子原子式中，P是电子极化度、P是原子极化度。电子原子若外电场是交变电场时，极性分子的排列方向即分子偶极矩的方向将随电场方向而转向，偶极矩转向所需的时间称为松弛时间。极性分子转向极化的松弛时间为-11-12-1410-10S，原子极化的松弛时间约为10S，电子极化的松弛时间为小于-1

4、510S。10−1当物质处于在低频电场(<10s)或静电场中时，测得的极性分子的摩尔极化度P是转向极化度P、电子极化度P和原子极化度P之和转向电子原子PPPP=++转向电子原子1214−1当处于10−10s的中频（红外频率）电场区，电场的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场定向，于是P=0。此时，极性分子的摩尔极化度是电子极化度和原子转向15−1极化度之和PP==P+P；当在10s以上的高频电场(可见光和紫外频率)诱导电子原子区时，极性分子的转向和分子骨架变形都跟不上电场的变化，P=

5、0，P=0，转向电子极化度仅等于电子极化度PP=。电子依此，只要测出极性分子在低频电场和中频电场下的摩尔极化度，然后把这24μ二者相减，即得极性分子的摩尔转向极化度P。然后，再由P=πN求转向转向A9kTB出极性分子的永久偶极矩。2.溶液法测定偶极矩将极性待测物溶于非极性溶剂测定，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，此时溶质分子的偶极矩可按下式计算：−30μ=×0.042610(PR−)T式中，P和R分别表示无限稀时溶质极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度，T是热力学温度。本实验是将正丁醇溶于

6、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，计算公式为无限稀时，溶质的摩尔极化度P的公式为31εαεM−MM−β11121P=⋅+⋅2(2ερ++)ε2ρ1111式中，ε1、ρ1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量;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=ε（1)+αx溶液12ρ=ρβ（1)+x溶液12式中，ε、ρ分别是溶液的介电常数和密度;x2是溶质的摩尔分数。溶液溶液在可见光下测定溶液的摩尔折射度R。在无限稀释时的计算公式为22nMMn−−16βMγ121

7、11PR==⋅+电子222nn++2(ρ2)ρ1111式中，n为溶剂的折射率;γ为常数，可由稀溶液的近似公式求得:1nnx=（1+γ)溶12式中，n是溶液的折射率。溶−30然后由μ=×−0.042610(PRT)计算正丁醇的偶极矩。求P、R公式中的密度、折射率可分别由密度瓶和折射仪直接测量，介电常数由PCM-1A精密电容测量仪测量。因为Cε=C0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，故上式改写成Cε=C空电容的测定方法很多，其中电桥法的测定原理图是其桥路为变压器比例臂电桥，达电桥平衡时'C

8、Us=CUsx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，UU=，此时指示放大器的输出趋近于零。CS可从刻度盘上读sx出，这样C′即可测得。由于整