稀溶液測定偶極矩

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1、華南師范大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)化學(xué)教育年級、班級2011級課程名稱結(jié)構(gòu)化學(xué)實驗實驗項目磁化率的測定實驗類型驗證試驗時間2013年10月17日實驗指導(dǎo)老師實驗評分【實驗?zāi)康摹?.掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術(shù)2.了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系3.測定乙酸乙酯的偶極矩【實驗原理】1．偶極矩與極化度分子結(jié)構(gòu)可以近似地看成是由電子云和分子骨架（原子核及內(nèi)層電子）所構(gòu)成。由于空間構(gòu)型的不同，其正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。1912年，德拜提出“偶極矩”的概念來度量分子極性的大小，其定義是①式中，q是正負(fù)電荷中心所帶的

2、電量；d為正負(fù)電荷中心之間的距離；是一個矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間的距離的數(shù)量級為10-10m，電荷的數(shù)量級為10-20C，所以偶極矩的數(shù)量級是10-30C·m。通過偶極矩的測定，可以了解分子結(jié)構(gòu)中有關(guān)電子云的分布和分子的對稱性，可以用來鑒別幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)等。極性分子具有永久偶極矩，但由于分子的熱運(yùn)動，偶極矩指向某個方向的機(jī)會均等。所以偶極矩的統(tǒng)計值等于零。若將極性分子置于均勻的電場E中，則偶極矩在電場的作用下，趨向電場方向排列。這時稱這些分子被極化了。極化的程度可以用摩爾轉(zhuǎn)向極化度Pμ來衡量。Pμ與永久偶極矩μ的平方成正比，與絕

3、對溫度T成反比。②式中，k為波茲曼常數(shù)；NA為阿弗加德羅常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；μ為分子的永久偶極矩。在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子，都會發(fā)生電子云對分子骨架的相對移動，分子骨架也會發(fā)生形變。這稱為誘導(dǎo)極化或變形極化。用摩爾誘導(dǎo)極化度P誘導(dǎo)來衡量。顯然，P誘導(dǎo)可分為兩項，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此③如果外電場是交變場，極性分子的極化情況則與交變場的頻率有關(guān)。當(dāng)處于頻率小于1010HZ的低頻電場或靜電場中，極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度P是轉(zhuǎn)向極化、電子極化和原子極化的總和。④如何從測得的摩爾極化度P中分別出Pμ的貢獻(xiàn)呢？介電常數(shù)實際上是在10

4、7HZ一下的頻率測定的，測得的極化度為Pμ+Pe+Pa。若把頻率提高到紅外范圍，分子已經(jīng)來不及轉(zhuǎn)向，此時測得的極化度只有Pe和Pa的貢獻(xiàn)了。所以從按介電常數(shù)計算的P中減去紅外線頻率范圍測得的極化，就等于Pμ，在實驗上，若把頻率提高到可見光范圍，則原子極化也可以忽略，則在可見光范圍：Pμ=P-(Pe+Pa)≈P-Pe⑤2.摩爾極化度的計算克勞休斯、莫索和德拜從電磁場理論得到了摩爾極化度P與介電常數(shù)ε之間的關(guān)系式。⑥式中，M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；ρ為該物質(zhì)的密度；ε是介電常數(shù)。但式⑥是假定分子與分子間沒有相互作用而推導(dǎo)得到的。所以它只適用于溫度不大低的氣相體系，

5、對某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。因襲后來就提出了用一種溶液來解決這一困難。溶液法的基本想法是，在無限稀釋的非極性溶劑中，溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)和氣相時相近，于是無限稀釋溶液中的溶質(zhì)的摩爾極化度可以看作是式⑥中的P。在稀溶液中，若不考慮極性分子間相互作用和溶劑化現(xiàn)象，溶劑和溶質(zhì)的摩爾極化度等物理量可以被認(rèn)為是具有可加性。因此，式⑥可以寫成：⑦式中，下標(biāo)1表示溶劑；下標(biāo)2表示溶質(zhì)；x1表示溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)；x2表示溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；表示溶劑的摩爾極化度；表示溶質(zhì)的摩爾極化度。對于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤瑒t⑧⑨Hedestrand首先推導(dǎo)出經(jīng)驗公

6、式，指出在稀溶液中溶液的介電常數(shù)和密度可以表示為⑩?因此?做ε1，2-x2圖，根據(jù)式⑦由直線測得斜率a，截距ε1；作ρ1,2-x2圖，并根據(jù)式?由直線測得斜率b，截距ρ1，代入式?得3.由折光度計算電子極化度Pe電子極化度可以使用摩爾折光度R代替，即?根據(jù)測量的溶液折射率n1,2作圖n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式?計算出Pe。3.介電常數(shù)的測定介電常數(shù)是通過測定電容計算而得的。如果在電容器的兩個板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會增大。如果維持極板上的電荷量不變，那么充電解質(zhì)的電容器兩板間電勢差就會減少。設(shè)C0為極板間處于真空時的電容量，C為充

7、以電解質(zhì)時的電容量，則C與C0的比值ε稱為該電解質(zhì)的介電常數(shù)：?法拉第在1837年就解釋了這一現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于電解質(zhì)在電場中極化而引起的。極化作用形成一個反向電場，因而抵消了一部分外加電場。測定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價格昂貴。本實驗中采用電橋法。實際所測得的電容C'樣品包括了樣品的電容C樣品和電容池的分布電容Cx兩部分，即?對于給定的電容池，必須先測出其分布電容Cx?？梢韵葴y出以空氣為介質(zhì)的電容，記為C'空，再用一種已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測得其電容C'標(biāo)。又因為可得??計算出Cx、

8、C0之后，根據(jù)式⑥和式?可得樣品的介電常數(shù)：?3.偶