溶液法測定極性分子的偶極矩

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1、溶液法測定極性分子的偶極矩一、實驗?zāi)康牧私怆娊橘|(zhì)極化與分子極化的概念，以及偶極矩與分子極化性質(zhì)的關(guān)系。掌握溶液法測定極性分子永久偶極矩的理論模型和實驗技術(shù)，用溶液法測定乙酸乙酯的偶極矩。二、實驗原理德拜（PeterJosephWilliamDebye）指出，所謂極性物質(zhì)的分子盡管是電中性的，但仍然擁有未曾消失的電偶極矩，即使在沒有外加電磁場時也是如此。分子偶極矩的大小可以從介電常數(shù)的數(shù)據(jù)中獲得，而對分子偶極矩的測量和研究一直是表征分子特性重要步驟。1、偶極矩、極化強度、電極化率和相對電容率（相對介電常數(shù)）首先定義一個電介質(zhì)的偶極矩（dipolemoment）。考慮一

2、簇聚集在一起的電荷，總的凈電荷為零，這樣一堆電荷的偶極矩是一個矢量，其各個分量可以定義為式中電荷的坐標(biāo)為。偶極矩的SI制單位是：。將物質(zhì)置于電場之中通常會產(chǎn)生兩種效應(yīng)：導(dǎo)電和極化。導(dǎo)電是在一個相對較長的（與分子尺度相比）距離上輸運帶電粒子。極化是指在一個相對較短的（小于等于分子直徑）距離上使電荷發(fā)生相對位移，這些電荷被束縛在一個基本穩(wěn)定的、非剛性的帶電粒子集合體中（比如一個中性的分子）。一個物質(zhì)的極化狀態(tài)可以用矢量表示，稱為極化強度（polarization）。矢量的大小定義為電介質(zhì)內(nèi)的電偶極矩密度，也就是單位體積的平均電偶極矩，又稱為電極化密度，或電極化矢量。這定

3、義所指的電偶極矩包括永久電偶極矩和感應(yīng)電偶極矩。的國際單位制度量單位是。為取平均的單位體積當(dāng)然很小，但一定包含有足夠多的分子。在一個微小的區(qū)域內(nèi)，的值依賴于該區(qū)域內(nèi)的電場強度。在這里，有必要澄清一下物質(zhì)內(nèi)部的電場強度的概念。在真空中任意一點的電場強度的定義為：在該點放置一個電荷為的無限微小的“試驗電荷”，則該“試驗電荷”所受到的力為。當(dāng)將這個定義應(yīng)用到物質(zhì)內(nèi)部時，在原子尺度上會引起巨大的電場漲落。為此，物質(zhì)內(nèi)部某一點的宏觀電場強度定義為在該點鄰近的小區(qū)域內(nèi)原子尺度電場強度的平均值，這個小區(qū)域當(dāng)然比通常標(biāo)準(zhǔn)要小得多，但仍足以容納足夠多的分子。在電磁學(xué)中，電介質(zhì)響應(yīng)外加

4、電場而極化的程度可以用電極化率（electricsusceptibility）來度量，在各向同性、線性和均勻的電介質(zhì)中，電極化率的定義為（18-1）式中，為真空電容率（vacuumpermittivity），或真空介電常數(shù)（vacuumdielectricconstant）?？梢杂秒娢灰剖噶縼肀硎倦妶鋈绾斡绊戨娊橘|(zhì)中電荷的重排（包括電荷遷移和電偶極轉(zhuǎn)向等），矢量的定義為（18-2）由此得到電位移矢量正比于電場強度（18-3）式中為電介質(zhì)的絕對電容率（absolutepermittivity），也稱為介電常數(shù)（dielectricconstant）。定義相對電容率（r

5、elativepermittivity）也稱為相對介電常數(shù)（relativedielectricconstant）。據(jù)此得到電極化率與相對電容率的關(guān)系為（18-4）在真空中，電極化率。由此可見，電容率和介電常數(shù)其實是一個概念。介電常數(shù)是在介質(zhì)內(nèi)部形成電場時遇到的阻礙程度的度量，也就是說，介電常數(shù)度量了外電場與電介質(zhì)之間的相互影響。介電常數(shù)越大，電介質(zhì)中單位電荷產(chǎn)生的電場（或電流）也越大，在電介質(zhì)內(nèi)部的電場強度會有可觀的下降。此外，我們常用來表征電介質(zhì)或絕緣材料的電性能，即在同一電容器中用某一物質(zhì)為電介質(zhì)時的電容和真空時的電容的比值（18-5）表示電介質(zhì)在電場中貯存靜

6、電能的相對能力。相對介電常數(shù)愈小絕緣性愈好，空氣和的值分別為1.0006和2.6左右，而水的值特別大，10℃時為83.83。介電常數(shù)是物質(zhì)相對于真空來說增加電容器電容能力的度量，一個電容板中充入介電常數(shù)為的物質(zhì)后電容變大倍。電介質(zhì)有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性，例如，當(dāng)一個電介質(zhì)材料放在兩個電荷之間，它會減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠了一樣。介電常數(shù)隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學(xué)中，介電常數(shù)是溶劑的一個重要性質(zhì)，它表征溶劑對溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑，有較大隔開離子的能力，同時也具有較強的溶劑化能力。介電常數(shù)經(jīng)常

7、出現(xiàn)在許多與電介質(zhì)有關(guān)的物理學(xué)公式中，如前面的電極化強度矢量和電位移矢量等。另外，電磁波在介質(zhì)中傳播的相速度為式中、、、、分別是真空中的光速、介質(zhì)的折射率、磁導(dǎo)率、相對磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率，真空電容率。在相對磁導(dǎo)率時，折射率?！　τ诟飨虍愋越橘|(zhì)(如某些晶體)，與的方向不同，但它們的各分量間仍有線性關(guān)系，介電常數(shù)要用張量表示。對于一些特殊的電介質(zhì)（如鐵電體），或者在電場很大（如激光）的條件下，與將呈現(xiàn)非線性關(guān)系，介電常數(shù)的表示式也是非常復(fù)雜的。2、外電場在電介質(zhì)中引起的變化從前面的討論中可知，極化強度與偶極矩有關(guān)，而極化強度又可以通過測量介電常數(shù)獲得，因此原則上可