稀溶液測(cè)定偶極矩

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1、華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)化學(xué)教育年級(jí)、班級(jí)2011級(jí)課程名稱(chēng)結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目磁化率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)類(lèi)型驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間2013年10月17日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師實(shí)驗(yàn)評(píng)分【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.掌握溶液法測(cè)定偶極矩的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)2.了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系3.測(cè)定乙酸乙酯的偶極矩【實(shí)驗(yàn)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(chēng)為非極性分子，后者稱(chēng)為極性分子。1912年，德拜提出“偶極矩”的概念來(lái)度量分子極性的大小，其定義是①式中，q是正負(fù)電荷

2、中心所帶的電量；d為正負(fù)電荷中心之間的距離；是一個(gè)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(jí)為10-10m，電荷的數(shù)量級(jí)為10-20C，所以偶極矩的數(shù)量級(jí)是10-30C·m。通過(guò)偶極矩的測(cè)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(duì)稱(chēng)性，可以用來(lái)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(dòng)，偶極矩指向某個(gè)方向的機(jī)會(huì)均等。所以偶極矩的統(tǒng)計(jì)值等于零。若將極性分子置于均勻的電場(chǎng)E中，則偶極矩在電場(chǎng)的作用下，趨向電場(chǎng)方向排列。這時(shí)稱(chēng)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(lái)衡量。Pμ與永久偶極矩

3、μ的平方成正比，與絕對(duì)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(chǎng)作用下，不論極性分子或非極性分子，都會(huì)發(fā)生電子云對(duì)分子骨架的相對(duì)移動(dòng)，分子骨架也會(huì)發(fā)生形變。這稱(chēng)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(lái)衡量。顯然，P誘導(dǎo)可分為兩項(xiàng)，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此③如果外電場(chǎng)是交變場(chǎng)，極性分子的極化情況則與交變場(chǎng)的頻率有關(guān)。當(dāng)處于頻率小于1010HZ的低頻電場(chǎng)或靜電場(chǎng)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(cè)得的摩爾極化度P中分別出Pμ的

4、貢獻(xiàn)呢？介電常數(shù)實(shí)際上是在107HZ一下的頻率測(cè)定的，測(cè)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(lái)不及轉(zhuǎn)向，此時(shí)測(cè)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(jì)算的P中減去紅外線頻率范圍測(cè)得的極化，就等于Pμ，在實(shí)驗(yàn)上，若把頻率提高到可見(jiàn)光范圍，則原子極化也可以忽略，則在可見(jiàn)光范圍：Pμ=P-(Pe+Pa)≈P-Pe⑤2.摩爾極化度的計(jì)算克勞休斯、莫索和德拜從電磁場(chǎng)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(cè)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(méi)有相互作用而推導(dǎo)得到

5、的。所以它只適用于溫度不大低的氣相體系，對(duì)某種物質(zhì)甚至根本無(wú)法獲得氣相狀態(tài)。因襲后來(lái)就提出了用一種溶液來(lái)解決這一困難。溶液法的基本想法是，在無(wú)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(shí)相近，于是無(wú)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(xiě)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(duì)于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)?/p>

6、劑相同，則⑧⑨Hedestrand首先推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式，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(cè)得斜率a，截距ε1；作ρ1,2-x2圖，并根據(jù)式?由直線測(cè)得斜率b，截距ρ1，代入式?得3.由折光度計(jì)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(cè)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(jì)算出Pe。3.介電常數(shù)的測(cè)定介電常數(shù)是通過(guò)測(cè)定電容計(jì)算而得的。如果在電容器的兩個(gè)板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會(huì)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

7、板間電勢(shì)差就會(huì)減少。設(shè)C0為極板間處于真空時(shí)的電容量，C為充以電解質(zhì)時(shí)的電容量，則C與C0的比值ε稱(chēng)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(chǎng)中極化而引起的。極化作用形成一個(gè)反向電場(chǎng)，因而抵消了一部分外加電場(chǎng)。測(cè)定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測(cè)定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價(jià)格昂貴。本實(shí)驗(yàn)中采用電橋法。實(shí)際所測(cè)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(duì)于給定的電容池，必須先測(cè)出其分布電容Cx。可以先測(cè)出以空氣為介質(zhì)的電容，記為C'空，再用一

8、種已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測(cè)得其電容C'標(biāo)。又因?yàn)榭傻??計(jì)算出Cx、C0之后，根據(jù)式⑥和式?可得樣品的介電常數(shù)：?3.偶