《物理化学》课程教学资源（基础实验 Experiment of Physical Chemistry）实验12 偶极矩的测定.doc_大学文库

结构化学实验讲义实验12偶极矩的测定一、目的要求 1.了解电介质在外电场中的极化现象。 2.掌握溶液法测定正丁醇偶极矩的实验和方法。二、原理 1.偶极矩和极化度分子结构可以被看成是由电子和分子骨架所构成。由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩来表示。两个大小相等符号相反的电荷系统的电偶极矩的定义为 u=gr (1) 式中广是两个电荷中心间距矢量，方向是从正电荷指向负电荷。g为电荷量，一个电子的电荷为4.8×101CGSE,而分子中原子核间距为1A=10m的量级，所以偶极矩的量级为： u=4.8X1010X103=4.8×101CGsE×cm=4.8 Debye 即 1 Debye=10-18CGSE×cm 电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合，电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大这样会使分子产生附加的偶极矩 (诱导偶极矩)。这种现象称为分子的变形极化。可以用平均诱导偶极矩m来表示变形极化的程度。在中等电场下设 m=aDE内 42) 式中E为作用于个别分子上的强场。QD为变形极化率，因为变形极化产生于两种因素：分子中电子相对于核的移动和原子核间的微小移动，所以有 aD=aE+aA (3) 式中aE、aA分别称为电子极化率和原子极化率。设n为单位体积中分子的个数，根据体积极化的定义（单位体积中分子的偶极矩之和)有 P=nm=naDE内 4) 为了计算￡，现考虑平行板电容器内介质的电场，平行板电容器内的分子受到四种为的作用： (I)均匀分布于极板上电荷σ所产生的力F: (2)电介质极化产生的感生电荷σ'产生的力F2: (3)单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力F3: (4)各分子间的相互作用F4: 目前还不能用一个公式来表示F,在忽略F后，单位正电荷所受的力的和即为E内 E=+6+6=4++智P=E+智P (5) 式中σ为极板表面电荷密度。在平行板电容器内，在电量为定值的条件下： -1-

结构化学实验讲义 - 1 - 实验 12 偶极矩的测定一、目的要求 1．了解电介质在外电场中的极化现象。 2．掌握溶液法测定正丁醇偶极矩的实验和方法。二、原理 1．偶极矩和极化度分子结构可以被看成是由电子和分子骨架所构成。由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩来表示。两个大小相等符号相反的电荷系统的电偶极矩的定义为 μ = q · r (1) 式中 r 是两个电荷中心间距矢量，方向是从正电荷指向负电荷。q 为电荷量，一个电子的电荷为 4.8×10−10CGSE，而分子中原子核间距为 1Å= 10−8 cm 的量级，所以偶极矩的量级为： μ = 4.8×10−10×10−8 = 4.8×10−18 CGSE×cm = 4.8 Debye 即 1 Debye = 10−18 CGSE×cm 电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合，电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大这样会使分子产生附加的偶极矩（诱导偶极矩）。这种现象称为分子的变形极化。可以用平均诱导偶极矩 m 来表示变形极化的程度。在中等电场下设 m = α D E 内 (2) 式中 E 内为作用于个别分子上的强场。α D 为变形极化率，因为变形极化产生于两种因素：分子中电子相对于核的移动和原子核间的微小移动，所以有 α D = α E +α A (3) 式中 α E、α A 分别称为电子极化率和原子极化率。设 n 为单位体积中分子的个数，根据体积极化的定义（单位体积中分子的偶极矩之和）有 P = n m = nα D E 内 (4) 为了计算 E 内，现考虑平行板电容器内介质的电场，平行板电容器内的分子受到四种为的作用： (1) 均匀分布于极板上电荷 σ 所产生的力 F1； (2) 电介质极化产生的感生电荷 σ ′ 产生的力 F2； (3) 单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力 F3； (4) 各分子间的相互作用 F4；目前还不能用一个公式来表示 F4，在忽略 F4 后，单位正电荷所受的力的和即为 E 内 E 内 = E1 + E2 + E3 = 4πσ + 4πP + P E P 3 4 3 4  = + (5) 式中 σ 为极板表面电荷密度。在平行板电容器内，在电量为定值的条件下：

结构化学实验讲义 - 4 - 对于由溶剂 1 和溶剂 2 组成的溶液体系，根据 Hedestrand（Z. Phys. Cnem.，2438 （1929））的理论，其介电常数、折射率、摩尔极化度以及密度均和浓度成线性关系，即： ε = ε1 (1 + α X2 ) (27) n = n1 (1 + γ X2 ) (28) ρ = ρ1 (1 +β X2 ) (29) P = X1 P1 + X2 P2 (30) 式中 X1、X2 分别为溶剂和溶质的摩尔分数，ε、ρ、P、n；ε1、ρ1、P1、n1；ε2、ρ2、P2、 n2 分别为溶液、溶剂和溶质的介质常数、密度、摩尔极化度和折射率，α、β、γ 为常数。由此可得： 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 0 2 2 2 1 2 3 2  −    +  − +    +   = = = ⎯→   M M M ( ) P P lim P X (31) 1 2 2 1 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 0 2 2 2 6 2 1 2    ( n ) M M n M r n n R R lim R X + + −  + − = = = ⎯→   (32) 这样我们用交变频率为 1000HZ 的交流电桥测出电容池中各浓度下溶液的电容，用此电容除以真空下电容池的电容即得介电常数。用阿贝折射仪测出可见光下各溶液的折射率，再用分析天平测出各溶液的密度代入(27)－(30)式，可定出 α、β、γ，再代入(31)、(32) 式算出 P ∞和 R ∞，再由(26)式算出分子的永久偶极矩 μ。三、仪器和试剂仪器：阿贝折射仪一台 CCJ－1 型精密电容测量仪一台分析天平一台超级恒温槽一台干燥器一只容量瓶（25 毫升）6 只电吹风一只比重瓶 1 只电容池 1 只试剂：正丁醇（分析纯）环已烷（分析纯）四、实验步骤 1．溶液配制用称量法配制 0%、1%、5%、10%和 15%（摩尔分数）的环已烷溶液各 20 毫升（除 0%外，其余溶液的浓度只要求精确标出浓度值，其值控制在 1%、5%、10%、15%左右）。操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收水汽。为此溶液配好后应迅速盖上瓶盖并置于干燥器中。 2．折射率的测定用阿贝折射仪测出溶液的折射率。测定时各样品需加样三次，每次取三个数据，最后取平均值

结构化学实验讲义 3.介质常数的测定 (1)电容池分布电容Cd和真空电容Co的测定因为电容池总是存在着和真空电容C0并联的分布电容Cd,为了从实测溶液的电容中扣除此分布电容的影响，我们必须测出此分布电容。用电吹风将电容池二极间的空隙吹干，旋上金属盖，将恒温槽电源打开，使温度固定在某一实验工作温度，测定其电容C0。测量中要反复交替调节相位平衡旋钮，使表头指针趋于最小，电桥平衡后，读出电容值，重复调节三次，以三次读数的平均值。再用针筒吸取纯环己烷加入电容池，使液面超过二电极表面。恒温数分钟后如上述步骤测定电容值。然后打开金属盖，用针筒吸取二极间的环已烷，重新装入样品，再次测定电容值，取二次平均值为C。由于Cd总是并联于电容池，所以有 e#=C年/C0=2.023-0.0016(1-20) (33) Cg=C环+Cd 34) C'。=C。+Cd (35) 式中1为（℃），(33)式为环己烷的介电常数随温度变化的公式，解上述方程组，可得 Co、Cd。 (2)加溶液电容的测定测定方法同于纯环已烷。重复测定时，要去掉电极间的溶液，还要用电吹风将二极间的空隙吹干，然后再加入该浓度溶液，恒温数分钟，测出电容值。两次测定数的差值应小于0.05PF,否则要重新测量。测得的电容减去Cd后才是该溶液对应的电容值。 4.溶液密度的测定用比重瓶在分析天平上分别称得瓶重o,加液后的质量，和加水后的形，按 W-W。 P=-成P (36) 计算溶液的密度P。式中p*(1)为在工作温度下的密度，可由表中查出。测量中要避免比重瓶中气泡的产生，等测完所有溶液的密度后，才加水测量W。五、数据处理 1.计算各溶液的摩尔分数浓度X2。 2.计算环已烷及各溶液的密度p,作p潘一X3图，用B=斜率Ip环算出B。 3.作n落一X图，用y=斜率/n蒸算出y。 4.算出Co、Cd和，由e=CICo算出e，作一名图，由a=斜率伦算出a。 5.将a、B、p1、1代入(31)式算出P“。 6.将Bm、p1代入(32)式算出R。 7.将P“和R“代入(26)式计算出正丁醇的偶数矩4。六、思考题 1.测量中为什么溶液的浓度不能太高（如20%）？ -5

结构化学实验讲义 - 5 - 3．介质常数的测定 (1)电容池分布电容 Cd 和真空电容 Co 的测定因为电容池总是存在着和真空电容 Co 并联的分布电容 Cd，为了从实测溶液的电容中扣除此分布电容的影响，我们必须测出此分布电容。用电吹风将电容池二极间的空隙吹干，旋上金属盖，将恒温槽电源打开，使温度固定在某一实验工作温度，测定其电容 Co。测量中要反复交替调节相位平衡旋钮，使表头指针趋于最小，电桥平衡后，读出电容值，重复调节三次，以三次读数的平均值。再用针筒吸取纯环已烷加入电容池，使液面超过二电极表面。恒温数分钟后如上述步骤测定电容值。然后打开金属盖，用针筒吸取二极间的环已烷，重新装入样品，再次测定电容值，取二次平均值为 C 环。由于 Cd 总是并联于电容池，所以有 ε 环 = C 环 / Co = 2.023－0.0016 ( t－20 ) (33) C ′ 环 = C 环 + Cd (34) C ′ o = Co + Cd (35) 式中 t 为(℃)，(33)式为环已烷的介电常数随温度变化的公式，解上述方程组，可得 Co、Cd。 (2)加溶液电容的测定测定方法同于纯环已烷。重复测定时，要去掉电极间的溶液，还要用电吹风将二极间的空隙吹干，然后再加入该浓度溶液，恒温数分钟，测出电容值。两次测定数的差值应小于 0.05PF，否则要重新测量。测得的电容减去 Cd 后才是该溶液对应的电容值。 4．溶液密度的测定用比重瓶在分析天平上分别称得瓶重 W0，加液后的质量 W1，和加水后的 W2，按 (t ) W W W W  溶  水 2 0 1 0 − − = (36) 计算溶液的密度 ρ 溶。式中 ρ 水 ( t )为在工作温度下的密度，可由表中查出。测量中要避免比重瓶中气泡的产生，等测完所有溶液的密度后，才加水测量 W2。五、数据处理 1．计算各溶液的摩尔分数浓度 X2。 2．计算环已烷及各溶液的密度 ρ，作 ρ 溶－X2 图，用 β = 斜率 / ρ 环算出 β。 3．作 n 溶－X2 图，用 γ = 斜率 / n 环算出 γ。 4．算出 Co、Cd 和 ε 溶，由 ε 溶 = C 溶 / Co 算出 ε 溶，作 ε 溶－X2 图，由 α = 斜率 /ε 环算出 α。 5．将 α、β、ρ1、ε1 代入(31)式算出 P ∞。 6．将 β、γ、n1、ρ1 代入(32)式算出 R ∞。 7．将 P ∞和 R ∞代入(26)式计算出正丁醇的偶数矩 μ。六、思考题 1．测量中为什么溶液的浓度不能太高（如 20%）？