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、實驗目的了解電介質極化與分子極化的概念，以及偶極矩與分子極化性質的關系。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，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的偶極矩（dipolemoment）?？紤]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為。偶極矩的SI制單位是：。將物質置于電場之中通常會產生兩種效應：導電和極化。導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內的電偶極矩密度，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，的值依賴于該區(qū)域內的電場強度。在這里，有必要澄清一下物質內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。當將這個定義應用到物質內部時，在原子尺度上會引起巨大的電場漲落。為此，物質內部某一點的宏觀電場強度定義為在該點鄰近的小區(qū)域內原子尺度電場強度的平均值，這個小區(qū)域當然比通常標準要小得多，但仍足以容納足夠多的分子。在電磁學中，電介質響應外加

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|中電荷的重排（包括電荷遷移和電偶極轉向等），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)是在介質內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之間的相互影響。介電常數(shù)越大，電介質中單位電荷產生的電場（或電流）也越大，在電介質內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或絕緣材料的電性能，即在同一電容器中用某一物質為電介質時的電容和真空時的電容的比值（18-5）表示電介質在電場中貯存靜

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)為的物質后電容變大倍。電介質有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性，例如，當一個電介質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。在化學中，介電常數(shù)是溶劑的一個重要性質，它表征溶劑對溶質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)經常

7、出現(xiàn)在許多與電介質有關的物理學公式中，如前面的電極化強度矢量和電位移矢量等。另外，電磁波在介質中傳播的相速度為式中、、、、分別是真空中的光速、介質的折射率、磁導率、相對磁導率和真空磁導率，真空電容率。在相對磁導率時，折射率?！　τ诟飨虍愋越橘|(如某些晶體)，與的方向不同，但它們的各分量間仍有線性關系，介電常數(shù)要用張量表示。對于一些特殊的電介質（如鐵電體），或者在電場很大（如激光）的條件下，與將呈現(xiàn)非線性關系，介電常數(shù)的表示式也是非常復雜的。2、外電場在電介質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，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