偶极矩的测定

偶极矩的测定

一、 实验目的

1. 测定乙醇的偶极矩，了解偶极矩与分子电子性质的关系。 2. 掌握测定偶极矩的原理和方法。

二、 实验原理

1. 偶极矩与极化度

分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩μ来度量，其定义为

μ=gd (1)

式中，g为正、负电荷中心所带的电荷量;d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库［仑］米(C·m)。而过去习惯使用的单位是德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。

若将极性分子置于均匀的外电场中，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，称为极化。极化的程度用摩尔极化度P来度量。P是转向极化度(P转向)、电子极化度(P电子)和原子极化度(P原子)之和，

P =P转向 + P电子 + P原子 (2)

其中， (3)

式中，NA为阿佛加德罗(Avogadro)常数;K为玻耳兹曼(Boltzmann)常数;T为热力学温度。

由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P原子，(2)式可写成

P = P转向 + P电子 (4)

只要在低频电场(ν<1010s-1)或静电场中测得P;在ν≈1015s-1的高频电场(紫外可见光)中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P

转向

=0，P

原子

=0，所以测得的是P

电子

。这样由(4)式可求得P

转向

，再由(3)

式计算μ。

通过测定偶极矩，可以了解分子中电子云的分布和分子对称性，判断几何异构体和分子的立体结构。 2. 溶液法测定偶极矩

所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定，然后外推到无限稀释。因为在无限稀的溶液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的偶极矩可按下式计算:

(5)

式中，P∞2和R∞2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度(习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子);T是热力学温度。

本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液，然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P∞2;在可见光下测定溶液的R∞2，然后由(5)式计算正丁醇的偶极矩。 (1) 极化度的测定

无限稀时，溶质的摩尔极化度P∞2的公式为

(6)

式中，ε1、ρ1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量，其中密度的单位是g·cm-3;M2为溶质的相对分子质量;α和β为常数，可通过稀溶液的近似公式求得:

(7)

式中，ε

和ρ

(8)

分别是溶液的介电常数和密度;x2是溶质的摩尔分数。

溶溶

无限稀释时，溶质的摩尔折射度R∞2的公式为

(9)

式中，n1为溶剂的折射率;γ为常数，可由稀溶液的近似公式求得:

(10)

式中，n溶是溶液的折射率。 (2) 介电常数的测定

介电常数ε可通过测量电容来求算，因为

ε = C/C0 (11)

式中，C0为电容器在真空时的电容;C为充满待测液时的电容，由于空气的电容非常接近于C0，故(11)式改写成

ε=C/C空 (12)

本实验利用电桥法测定电容，其桥路为变压器比例臂电桥，电桥平衡

的条件是

式中，C′为电容池两极间的电容;CS为标准差动电器的电容。调节差动电容器，当C′=CS时，uS=uX，此时指示放大器的输出趋近于零。CS可从刻度盘上读出，这样C′即可测得。由于整个测试系统存在分布电容，所以实测的电容C′是样品电容C和分布电容Cd之和，即

C′= C + Cd (13)

显然，为了求C首先就要确定Cd值，方法是:先测定无样品时空气的电空C′空，则有

C′空 = C空 + Cd (14)

再测定一已知介电常数(ε标)的标准物质的电容C′标，则有

C′标 = C标+Cd =ε标C空 + Cd (15)

由(14)和(15)式可得:

(16)

将Cd代入(13)和(14)式即可求得C溶和C空。这样就可计算待测液的介电常数。

三、 主要仪器设备

阿贝折光仪，数字小电容测试仪和电容池，锥形瓶（配置标准溶液），

移液管，样品瓶，回收瓶，滴管，吸耳球，吹风机

电容池示意图 数字小电容测试仪

四、 实验步骤

1、 配制混合溶液

取六个干燥的锥形瓶，按表中所示分别配置含乙醇的环己烷混合溶液。 2、测定混合溶液的折光率

使用阿贝折光仪，分别测定混合溶液的折光率n，每个样品测定三次，三个平行数据之间的差值不应超过0.0003. 3、测定混合溶液的电容 （1）电容仪调零

打开“数字小电容测试仪”电源开关，预热5分钟。将“电容池座”插座与电容池的“内电极”连接，此时电容仪读数应为零。如该读数不为零，按一下“采零”键，以消除系统的零位漂移，仪器显示为零。

（2）测量空气介质的电容

打开电容池盖，在确定电容池内干燥且无杂物后，关上电容池盖，将“电容池”插座与电容池的“外电极”连接（不测量时，外电极一端断开），待读数稳定后，读取电容值。拔下“外电极”插座，回零，再连接“外电极”插座，再次读取电容值。如此测定三次，电容读数相差不应超过0.05PF。三次电容读数的平均值即为C′空的值。

（3）测定混合溶液的电容

用吹风机将电容池的样品室吹干，将混合溶液加入样品室，使液面浸没内外两电极，但不接触电容池盖，关上盖子，连接“外电极” 插座，读取电容值。按上述同样方法重复测量三次。三次读数的平均值即为C′溶。用滴管吸尽样品室中的溶液（溶液倒入对应的回收瓶中），用吹风机吹干残余溶液，用同样方法测定其余几组溶液电容值C′溶。

(4）实验完毕，盖上电容池样品室的盖子，拔下外电极插座，关闭仪器电源开关。将未用完的溶液倒入对应的回收瓶中。收拾、清洁桌面。 五、 实验数据，数据处理过程和结果 T=14.00℃

C′空=（C′空1+C′空2+C′空3）÷3=5.50PF

C′标= C′环己烷=（C′环己烷1+C′环己烷2+C′环己烷3）÷3=8.27PF ε

r环己烷

=2.023-0.0016（t/℃-20）=2.023-0.0016×（14.00-20）=2.0326

C0=( C′标- C′空) ÷(ε=2.6825

r环己烷

-1)=（8.27-5.50）÷（2.0326-1）

C分= C′空- C0=5.50-2.6825=2.82 C溶= C′溶- C分 εr= C溶÷C0

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