稀溶液法测定偶极矩实验报告

稀溶液法测定偶极矩实验报告

空间构后者称为

图1电偶极矩示意图

1912年德拜提出“偶极矩”

图2极性分子在电场作用下的定向

的概念来度量分子极性的大小，如图1所示,

是一个

10-20C，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

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，

极性分子。

其定义是

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;

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10-10m，电荷的数量级为所以

偶极矩的数量级是10-3°C • m。

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

4 nN A 卩

P u

9kT 显然P

下的频

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£之间的关 系式。

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。

P 。

化度P 卩来衡量。P 卩与永久偶极矩的卩的平方成正比，与绝对温度

T 成反比。

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P 诱导来衡量。

诱导

可分为二项，即电子极化度 P e 和原子极化度P a ，因此

P 诱导= P e +P a

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

1010H Z 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

子极化的总和。

P = P g + P e + P a

如何从测得的摩尔极化度 P 中分别出P u 的贡献呢？介电常数实际上是在 107

H Z 以

率测定的，测得的极化度为 P u + P e +P a 。若把频率提高到红外范围(约 1011

〜1014

H Z )，分

子已经来不及转向，此时测得的极化度只有 P e 和P a 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 u ,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：

P u =P-( P e +P a )〜P - P e

(2) 摩尔极化度的计算

P

二芒

£+2 p

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

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

勺摩

尔

P P1 a+2P

1

P 2 R,2—Xf

X2

R,2 X1 P1

1,2

X

2

Hedestrand首先推导出经验公式,

⑥

指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为

叼

,

ax2

Pl,2Pl

bx2

q aX2 1 M i X i M2X2

做a, 2-X2 图,

lim

X2 0

a ax2 2 p bx2

3a a

§ 2 2

M1

P i

根据式④由直线测得斜率

X

2

M 2bM 1

P

⑨

a，截距a;作p i,2 -X2图，并根据式⑧由直线测

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：

r a2—1 M 1x1M 2x2- -

R,2』X 亠口X1P X2F2 a，2+2 p,2

式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；X1表示溶剂的摩尔分数；X2表示溶质的分数；F表示溶

剂的摩尔极化度；P2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

因此

得斜率b,截距p i,代入式⑨得P2

(3)由折光度计算电子极化度P e

电子极化度可以使用摩尔折光度R代替，即

P e

R

2 X 2m

0 R 2

根据测量的溶液折射率 n i,2作图n i.2-x 2，由斜率求出 C ,就可以按照式⑩计算出P e

C'样品包括了

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:

n1,2=n1+cx2

2 2

n i 1 M 2 bM i 6n i M i c

n i 2

p

(4) 介电常数的测定

介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容 器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质的电容器两板间电势差 就会减少。设C o 为极板间处于真空时的电容量，C 为充以电解质时的电容量，则 C 与C o 的 比值&称为该电解质的介电常数：

C

汗氏

?

法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是由于电解质在电场中极化而引起的。极 作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。

测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干 扰性能好，精度高，但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所测得的电容 样品的电容C 样品和电容池的分布电容 C x 两部分，即