偶极矩的测定--用小电容测量仪测偶极矩(带思考题答案)

用小电容测量仪测偶极矩

【实验目的】

1. 掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。

2. 熟悉小电容仪、折射仪的使用。

3. 用溶液法测定正丁醇的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。

【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单位是库米(C·m)。而过去习惯使用的单位是德拜(D)，1D=×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，N A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

11

221112

1120

22

1)2(3lim 2d M M d M P P x βεεεαε-⋅+-+⋅+=

=→∞ (6)

式中，ε1、ρ1、M 1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

;M 2

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)

(8)

式中，ε溶和ρ溶分别是溶液的介电常数和密度;x 2是溶质的摩尔分数。

无限稀释时，溶质的摩尔折射度R ∞

2的公式为

(9)

式中，n 1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。

其中α、γ 分别根据ε12～x 2、n 12～x 2作图求出。 本实验中，取β=0 (2)介电常数的测定

介电常数是通过测定电容，计算而得到。按定义

0C C

=

ε （11）

其中C 0是以真空为介质的电容，C 是充以介电常数为ε的介质时的电容。实验上通常以空气为介质时的电容为C 0，因为空气相对于真空的介电常数为，与真空作介质的情况相差甚微。由于小电容测量仪测定电容时，除电容池两极间的电容C 0外，整个测试系统中还有分布电容C d 的存在，即

C x

/

= C x + C d （12）

其中，C x /

为实验所测值，C x 为真实的电容。

对于同一台仪器和同一电容池，在相同的实验条件下，C d 基本上是定值，故可用一已知介电常数的标准物质进行校正，以求得C d 。

ε环己烷=（t-20）

本实验采用电桥法。校正方法如下：

C 空/=C 空 + C d （13） C 标/=C 标 + C d （14） ε标= C 标/ C 空（C 空≈C 0） （15）

故C d =（ε标C

空

/- C 标/）/（ε标-1） （16）

将C d 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。

【仪器药品】

小电容测量仪1台;阿贝折射仪1台;吸耳球1只;滴瓶6只;滴管6只,2ml 移液管6只。 环己烷(AR);正丁醇摩尔分数分别为，，，和的五种正丁醇—环己烷溶液。 【实验步骤】

1.折射率的测定 （γ）

（1）用阿贝折射仪分别测定环己烷和五份溶液的折射率，并记录测量温度。测量两次，取平均值。 （2）由

公式，以(n

溶

/n1)～X 2作图，从直线的斜率求γ

2.电容的测定 （α）

(1)将电容测量仪通电，预热20min 。

(2)将电容仪与电容池连接线先接一根(只接电容仪，不接电容池)，调节零电位器使数字表头指示为0。 (3)将两根连接线都与电容池接好，此时数字表头上所示值既为C′空值。

(4)用2mL 移液管移取2mL 环己烷加入到电容池中，盖好，数字表头上所示值既为C ′标 。 由ε环己烷=（t-20）算出实验温度时环己烷的介电常数ε标 ， 代入公式C d =（ε标C 空/

- C 标/

）/（ε标-1）求得C d ；代入公式C

空/=C 空 + C d 求得C 空

(5)用滴管将环己烷吸入回收瓶中，用吸耳球将样品室吹干后再测C′空值，与前面所测的C′空值应小于，否则表明样品室有残液，应继续吹干，然后依次用移液管移取2mL 待测溶液，同样方法测定五份溶液的C ′溶。

（6）由公式可知C 溶

= C 溶/- C d ，ε溶= C 溶/ C 空

由以（ε溶 /ε1 ）～X 2作图，从其斜率求出α

3.结束实验，切断电源，仪器复原。

【数据处理】

室温：~19.6 °C 气压： 环己烷密度公式3

9263)(10)(10)(10s s s s t t t t t t t d d -+-+-+=---γβα

d s α β γ 适用温度 0~65

n =n +*(T-19) （n ：19°C 时，物质的折射率）

ε环己烷=（t-20） C 溶/

=C 溶 + C d

C d =（ε标C 空/- C 标/

）/（ε标-1） ε溶= C 溶/ C 空