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稀溶液法测定偶极矩实验报告 稀溶液法测定偶极矩 【实验目的】 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。 了解偶极矩与分子电性质的关系。 测定正丁醇的偶极矩。 【实验原理】 (1)偶极矩与极化度 分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架(原子核及内层电子)所构成。由于空间 构型的不同，其正负电荷中心可以是重合的，也可以不重合。前者称为非极性分子，后者称 为极性分子。 r— r——I ? b- b + 图1电偶极矩示意图 //<7 图2极性分子在电场作用下的定向 1912年德拜提出“偶极矩”卜I的概念来度量分子极性的大小，如图1所示, 其定义是 口 = q ? d ① 式中，q是正负电荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；力是一个向量， 其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为lb%,电荷的数量级为io-2Oc, 所以偶极矩的数量级是10-3°C?nu 通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称性，可以用来 鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向某个方向的机会均等。所 以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场E中，则偶极矩在电场的作用下， 如图2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极 化度P”来衡量。P*与永久偶极矩的口的平方成正比，与绝对温度T成反比。 P _ 4丸*四 g 9kT ② 式中：k为玻兹曼常数，NA为阿伏加德罗常数。 在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子，都会发生电子云对分子骨架的相对移动， 分子骨架也会发生形变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度Pg来衡量。显然P n可分为二项，即电子极化度E和原子极化度已，因此 P 十Pe+Pa 如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。当处于频率小于10'°任 的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度P是转向极化、电子极化和原子极化 的忌和。 P = Pp+ Pe +Pa 如何从测得的摩尔极化度P中分别出P “的贡献呢介电常数实际上是在ioH以下的频率测 定的，测得的极化度为PL P.+Pa。若把频率提高到红外范围(约10”?10“H＞分子已经 来不及转向，此时测得的极化度只有P。和已的贡献了。所以从按介电常数计算的P中减去红 外线频率范围测得的极化，就等于P”在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化 也可以忽略，则在可见光范围： Pu =P -( Pe+Pa) 2 P - Pe (2)摩尔极化度的计算 克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数e之间的关系式。 八 S—1 M P = X — e+2 P ③ 式中，M为被测物质的摩尔质量；P为该物质的密度；￡是介电常数。 但式③是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的 气相体系，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来就提出了用一种溶液来解决这 一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶液中，溶质分子所处的状态和气相时 相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度就可以看作是式③中的P。 在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩尔极化度等 物理量可以被认为是具有可加性。因此，式③可以写成: 式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；为表示溶剂的摩尔分数；X2表示溶质的摩尔分 数；K表示溶剂的摩尔极化度；&表示溶质的摩尔极化度。 对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同.则 P _ —x/ _ —.2 - % Pl ⑥ Hedestrand首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为 因此 户；=邮=郭。 pL2=p,+bx2 S] +ax^-\ .切一 1 = x =―— — Xi X 与+2 P, Si +ax2 +2 p] +bx2 _ s（ -1 M2 -bMx （￡]+2）2 P] S]+2 p! ⑨ 做J.2-X2图，根据式④由直线测得斜率a,截距J；作PI.2 -X2图，并根据式⑧由直 线测得斜率b,截距Pi,代入式⑨得F? (3)由折光度计算电子极化度已 电子极化度可以使用摩尔折光度R代替，即 W — 1 M P== = R = x —— ■ ? 一 ' 々 + 2 p 式中，n为物质的折射率；M为物质的摩尔质量；P为密度。同样在稀溶液中: nl,2=nl+cx2 八 c 〃「一 1 M. - bM 1 6n.2M.c P = R、=lim R「= —x + ― Pi巳亿—「+2 P.（疽+2膈 Pi 根据测量的溶液折射率眼2作图，由斜率求出C,就可以按照式⑩计算出P… 介电常数的测定 介电常数是通过测定电容计算而