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1、華南師范大學實驗報告學生姓名學號專業(yè)化學(師范)年級、班級課程名稱物理化學實驗實驗項目稀溶液法測定偶極矩實驗類型實驗時間2011年11月17日實驗指導老師彭彬老師實驗評分一、實驗目的1.掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術2.了解偶極矩與分子電性質的關系3.測定正丁醇的偶極矩二、實驗原理1.偶極矩與極化度分子結構可以近似地看成是由電子云和分子骨架(原子核及內層電子)所構成。由于空間構型的不同,其正負電荷中心可能重合,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是正負電荷中心所帶的電量;
2、d為正負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。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,可以了解分子結構中有關電子云的分布和分子的對稱性,可以用來鑒別幾何異構體和分子的立體結構等。極性分子具有永久偶極矩,但由于分子的熱運動,偶極矩指向某個方向的機會均等。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向極化度Pμ來衡量。Pμ與永久偶極矩μ的平方成正比,與絕對溫度T成反比
3、。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。這稱為誘導極化或變形極化。用摩爾誘導極化度P誘導來衡量。顯然,P誘導可分為兩項,即電子極化度Pe和原子極化度Pa,因此P誘導=Pe+Pa③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。當處于頻率小于1010HZ的低頻電場或靜電場中,極性分子所產生的摩爾極化度P是轉向極化、電子極化和原子極化的總和。P=Pμ+Pe+Pa④如何從測得的摩爾極化度P中分別出Pμ的貢獻呢?介電常
4、數(shù)實際上是在107HZ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,分子已經來不及轉向,此時測得的極化度只有Pe和Pa的貢獻了。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之間的關系式。⑥式中,M為被測物質的摩爾質量;ρ為該物質的密度;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得到的。所以它只適用于溫度不大低的氣
5、相體系,對某種物質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,溶劑和溶質的摩爾極化度等物理量可以被認為是具有可加性。因此,式⑥可以寫成:⑦式中,下標1表示溶劑;下標2表示溶質;x1表示溶劑的摩爾分數(shù);x2表示溶質的摩爾分數(shù);表示溶劑的摩爾極化度;表示溶質的摩爾極化度。對于稀溶液,可以假設溶液中溶劑的性質與純溶劑相同,則⑧⑨Hedestrand首先推導出經驗公
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,電容器的電容量就會增大。如果維持極板上的電荷量不變,那么充電解質的電容器兩板間電勢差就會減少。設C0為極板間處于真空時的電容量,C為充以電解質
7、時的電容量,則C與C0的比值ε稱為該電解質的介電常數(shù):ε=?法拉第在1837年就解釋了這一現(xiàn)象,認為這是由于電解質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C'樣品=C樣品+Cx?對于給定的電容池,必須先測出其分布電容Cx??梢韵葴y出以空氣為介質的電容,記為C'空,再用一種已知介電常數(shù)的標準物質,測得其電容C'標。C'空=C空