溶液法测定.
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实
验教 学
中
化学
心
基础物理化学实验
溶液法测定 极性分子的偶极矩
实
验教 学
Ⅰ 实验目的
1，掌握测定偶极矩的原理，了解偶极矩与分子
中
化学
心
电性的关系。
2，学会用溶液法测定乙酸乙酯偶极矩的原理、
方法及实验技术 。
.
.
实
验教 学
Ⅱ 实验原理
偶极矩是表示分子中电荷分布情况的物理量，它的 数值大小可以量度分子的极性。偶极矩是一个向量，规
P转向
4 2 4 2 L L 3 3kT 9 kT
⑵
式中，k为玻耳兹曼常数，L为阿伏加德罗常数。
.
.
实
中
化学
心
验教 学
在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子都会 产生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会发生 变形，这种现象称为源自文库导极化或变形极化，用摩尔诱导 极化度P诱导 来衡量。 P诱导 可分为两项，即电子极化度和 原子极化度，与外电场强度成正比，与温度无关。 如果外电场是交变电场，极性分子的极化情况则 与交变电场的频率有关，当处于频率小于 1010 s-1 的低 频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度是 转向极化、电子极化和原子极化的总和。
2
再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度
⑺
上述⑸、⑹、⑺式中， s 、 s 是溶液的介电常数和密 度，M2、x2是溶质的摩尔质量和摩尔分数，1、1和M1分别 是溶剂的介电常数、密度和摩尔质量，、是分别与s—x2
和 s—x2直线斜率有关的常数，我们称之为斜率因子。
.
x Cx 0 C0
⒁
式中0和x分别为真空和该物质的电容率。 当将电容池插在小电容测量仪上测量电容时，实际测 量所得的电容应是电容池两极间的电容和整个测试系统中
的分布电容 Cd 并联构成。 Cd 是一个恒定值，称为仪器的
本底值，在测量时应予以扣除，否则会引起误差，因此必 须先求出本底值Cd，并在各次测量中予以扣除。
.
.
实
验教 学
2，偶极矩的测定
考虑到原子极化度通常只有电子极化度的 5%~10%，
而且 P转向 又比 P电子 大得多，故常常忽视原子极化度。从 ⑵、⑶、⑺和⑾式可得
2 4 P2 R2 L 9 kT
中
化学
心
P转向
⑿
上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电 常数、密度和折射率联系起来，分子的永久偶极矩就可 以用下面的简化式计算
.
.
实
验教 学
中
化学
心
电容C0和Cd的计算：
本实验采用四氯化碳作为标准物质，其介电常数的温 度公式为
⑷式是假定分子之间无相互作用而推导得到的，适用于温度 较高的气相体系。然而测定气相的介电常数和密度，实验上困难 较大，某些物质甚至根本无法使其处于稳定的气相状态。因此后 来有人提出一种溶液法来解决这一困难。其基本思想是，在无限 稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质所处的状态和气相时相近，于 是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度P2就可以看作⑷中的P。
心
.
.
实
验教 学
中
1，极化度的测定
克 劳 修 斯 、 莫 索 蒂 和 德 拜 （ Clausius-MosottiDebye ）从电磁理论中得到了摩尔极化度 P 与介电常数 ε 之间的关系式
化学
心
1 M P 2
⑷
式中， M 为被测物质的摩尔质量， ρ是该物质的密度， ε 可以通过实验测定。
.
.
实
验教 学
中
化学
心
海德斯特兰（Hedestran）首先利用稀溶液的近似公式
s 1 (1 x2 )
⑸ ⑹
s 1 (1 x2 )
的公式
31 M 1 1 1 M 2 M 1 P P lim P2 2 x 2 0 1 ( 1 2) 1 1 2
.
实
根据光电磁理论，在同一频率得高频电场作用下，透 验教 学 明物质的介电常数ε与折光率n的关系为 ε=n2 ⑻ 习惯上用摩尔极化度 R2 来表示高频区测得的极化度， 因为此时P转向=0，P原子=0 ，则
中
化学
心
R2 P 电子
n2 1 M 2 n 2
⑼
在稀溶液情况下也存在近似公式
ns n1 (1 x2 )
同样，从式可以推导得无限稀释时的摩尔折射度的公式
P 电子 n12 1 M 2 M 1 6n12 M 1 R l im R2 2 2 x2 0 1 ` n1 2 (n1 2) 2 1
2
⑽
⑾
上述⑽、⑾式中，ns是溶液的折光率，n1是溶剂的折光 率，是与ns—x2直线斜率有关的常数。
P P转向 P诱导 P转向 P 电子 P 原子
（3）
.
.
实
验教 学
中
化学
当频率增加到中频（红外频率）时，电场的交变周期 小于分子的偶极矩的弛豫时间，极性分子的转向运动跟不 上电场的变化，即极性分子来不及沿电场定向，故P转向=0。 此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度 P诱导。当 交变电场的频率进一步增加到大于1015 s-1 的高频（可见光 和紫外频率）时，极性分子的转向运动和分子骨架变形都 跟不上电场的变化，此时极性分子的摩尔极化度等于电子 极化度P电子。 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔 极化度P，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度 P诱导，两者相减得到极性分子的摩尔转向极化度P转向，然 后带入（2）式就可算出极性分子的永久偶极矩来。
中
化学
心
定其方向由正到负，定义为分子正负电荷中心所带的电
荷量 q 与正负电荷中心之间的距离 d 的乘积
qd
⑴
.
.
实
验教 学
中
化学
心
若将极性分子置于均匀的电场中，则偶极矩在电场
的作用下会趋向电场方向排列。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转向来衡量。
P转向与永久偶极矩平方成正比，与热力学温度T成反 比。
0.04274 10 30 ( P2 R2 )T
Cm
⒀
在一些情况下，若需要考虑 P2 影响时，只需对 R2 作部 分修正就行了。
.
.
实
验教 学
中
化学
心
3，介电常数的测定
介电常数是通过测量电容计算而得到的。电容池两极
间真空和充满某物质时电容分别为C0和Cx，则某物质的介 电常数与电容的关系为
验教 学
中
化学
心
基础物理化学实验
溶液法测定 极性分子的偶极矩
实
验教 学
Ⅰ 实验目的
1，掌握测定偶极矩的原理，了解偶极矩与分子
中
化学
心
电性的关系。
2，学会用溶液法测定乙酸乙酯偶极矩的原理、
方法及实验技术 。
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验教 学
Ⅱ 实验原理
偶极矩是表示分子中电荷分布情况的物理量，它的 数值大小可以量度分子的极性。偶极矩是一个向量，规
P转向
4 2 4 2 L L 3 3kT 9 kT
⑵
式中，k为玻耳兹曼常数，L为阿伏加德罗常数。
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化学
心
验教 学
在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子都会 产生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会发生 变形，这种现象称为源自文库导极化或变形极化，用摩尔诱导 极化度P诱导 来衡量。 P诱导 可分为两项，即电子极化度和 原子极化度，与外电场强度成正比，与温度无关。 如果外电场是交变电场，极性分子的极化情况则 与交变电场的频率有关，当处于频率小于 1010 s-1 的低 频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度是 转向极化、电子极化和原子极化的总和。
2
再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度
⑺
上述⑸、⑹、⑺式中， s 、 s 是溶液的介电常数和密 度，M2、x2是溶质的摩尔质量和摩尔分数，1、1和M1分别 是溶剂的介电常数、密度和摩尔质量，、是分别与s—x2
和 s—x2直线斜率有关的常数，我们称之为斜率因子。
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x Cx 0 C0
⒁
式中0和x分别为真空和该物质的电容率。 当将电容池插在小电容测量仪上测量电容时，实际测 量所得的电容应是电容池两极间的电容和整个测试系统中
的分布电容 Cd 并联构成。 Cd 是一个恒定值，称为仪器的
本底值，在测量时应予以扣除，否则会引起误差，因此必 须先求出本底值Cd，并在各次测量中予以扣除。
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实
验教 学
2，偶极矩的测定
考虑到原子极化度通常只有电子极化度的 5%~10%，
而且 P转向 又比 P电子 大得多，故常常忽视原子极化度。从 ⑵、⑶、⑺和⑾式可得
2 4 P2 R2 L 9 kT
中
化学
心
P转向
⑿
上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电 常数、密度和折射率联系起来，分子的永久偶极矩就可 以用下面的简化式计算
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实
验教 学
中
化学
心
电容C0和Cd的计算：
本实验采用四氯化碳作为标准物质，其介电常数的温 度公式为
⑷式是假定分子之间无相互作用而推导得到的，适用于温度 较高的气相体系。然而测定气相的介电常数和密度，实验上困难 较大，某些物质甚至根本无法使其处于稳定的气相状态。因此后 来有人提出一种溶液法来解决这一困难。其基本思想是，在无限 稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质所处的状态和气相时相近，于 是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度P2就可以看作⑷中的P。
心
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实
验教 学
中
1，极化度的测定
克 劳 修 斯 、 莫 索 蒂 和 德 拜 （ Clausius-MosottiDebye ）从电磁理论中得到了摩尔极化度 P 与介电常数 ε 之间的关系式
化学
心
1 M P 2
⑷
式中， M 为被测物质的摩尔质量， ρ是该物质的密度， ε 可以通过实验测定。
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验教 学
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化学
心
海德斯特兰（Hedestran）首先利用稀溶液的近似公式
s 1 (1 x2 )
⑸ ⑹
s 1 (1 x2 )
的公式
31 M 1 1 1 M 2 M 1 P P lim P2 2 x 2 0 1 ( 1 2) 1 1 2
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实
根据光电磁理论，在同一频率得高频电场作用下，透 验教 学 明物质的介电常数ε与折光率n的关系为 ε=n2 ⑻ 习惯上用摩尔极化度 R2 来表示高频区测得的极化度， 因为此时P转向=0，P原子=0 ，则
中
化学
心
R2 P 电子
n2 1 M 2 n 2
⑼
在稀溶液情况下也存在近似公式
ns n1 (1 x2 )
同样，从式可以推导得无限稀释时的摩尔折射度的公式
P 电子 n12 1 M 2 M 1 6n12 M 1 R l im R2 2 2 x2 0 1 ` n1 2 (n1 2) 2 1
2
⑽
⑾
上述⑽、⑾式中，ns是溶液的折光率，n1是溶剂的折光 率，是与ns—x2直线斜率有关的常数。
P P转向 P诱导 P转向 P 电子 P 原子
（3）
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实
验教 学
中
化学
当频率增加到中频（红外频率）时，电场的交变周期 小于分子的偶极矩的弛豫时间，极性分子的转向运动跟不 上电场的变化，即极性分子来不及沿电场定向，故P转向=0。 此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度 P诱导。当 交变电场的频率进一步增加到大于1015 s-1 的高频（可见光 和紫外频率）时，极性分子的转向运动和分子骨架变形都 跟不上电场的变化，此时极性分子的摩尔极化度等于电子 极化度P电子。 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔 极化度P，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度 P诱导，两者相减得到极性分子的摩尔转向极化度P转向，然 后带入（2）式就可算出极性分子的永久偶极矩来。
中
化学
心
定其方向由正到负，定义为分子正负电荷中心所带的电
荷量 q 与正负电荷中心之间的距离 d 的乘积
qd
⑴
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实
验教 学
中
化学
心
若将极性分子置于均匀的电场中，则偶极矩在电场
的作用下会趋向电场方向排列。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转向来衡量。
P转向与永久偶极矩平方成正比，与热力学温度T成反 比。
0.04274 10 30 ( P2 R2 )T
Cm
⒀
在一些情况下，若需要考虑 P2 影响时，只需对 R2 作部 分修正就行了。
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实
验教 学
中
化学
心
3，介电常数的测定
介电常数是通过测量电容计算而得到的。电容池两极
间真空和充满某物质时电容分别为C0和Cx，则某物质的介 电常数与电容的关系为