偶极矩的测定【DOC精选】.doc

偶极矩的测定 一、实验目的： 1、会用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩； 2、了解偶极矩与分子电性质的关系； 3、掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。 二、实验原理： 1、偶极矩与极化度 分子的结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核和内层电子）所构成。由于其空间构型的不同，其正负电荷中心可以是重合的（此时为非极性分子），也可以是不重合的（此时为极性分子）。 图1 偶极矩示意图 1912年Debye提出“偶极矩”μ的概念来度量分子极性的大小，如图1所示，其定义是： （1） 式中 q为正、负电荷中心所带的电荷量；d为正、负电荷中心间的距离；为向量，其方向规定为从正到负，单位为Debye或C·m（10－30）。 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，分子的对称性，还可以用来判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，在没有外电场存在时，由于分子热运动，偶极矩在各个方向上的取向机会均等，故其偶极矩的统计值为零。 若将极性分子置于均匀的外电场中，分子会沿电场方向作定向转动，同时分子中的电子云对分子骨架发生相对移动，分子骨架也会变形，这叫分子极化，极化的程度可由摩尔极化度（Pm）来衡量。因转向而极化称为摩尔极化度（P转向）。由变形所致的为摩尔变形极化度（P变形）。而P变形又是电子极化度（P电子）和原子极化度（P原子）之和。显然： Pm＝P转向＋P变形＝P转向＋（P电子＋P原子） （2） 已知P转向与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度成反比。即 （3） 式中 K为Boltzmann常数；N为Avogadro常数。 对于非极性分子，因其永久偶极矩μ＝0，分子不能沿电场方向作定向转动，其P转向＝0，所以Pm＝P电子＋P变形 若外电场是交变电场，则极性分子的极化与交变电场的频率有关。当在电场的频率小于1010Hz的低频电场作用下，极性分子产生摩尔极化度为转向极化度与变形极化度之和。若在电场频率为1012Hz～1014Hz的中频电场下（红外光区），因为电场交变周期小于偶极矩的松弛时间，极性分子的转向运动跟不上电场变化，即极性分子无法沿电场方向定向，即P转向＝0，此时分子的摩尔极化度Pm＝P变形＝P电子＋P原子。当交变电场的频率大于1015Hz（即可见光和紫外光区）的高频电场下，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Pm等于电子极化度P电子。 因此，原则上只要在低频的电场下测得极性分子的摩尔极化度Pm，在红外频率下测得极性分子的摩尔变形极化度P变形，两者之差得到极性分子的摩尔转向极化度P转向，然后代入（2）式就可算出极性分子的永久偶极矩μ来。 2、极化度和偶极矩的测定 Clausius、Mosotti和Debye从电磁理论得到摩尔极化度与介电常数ε之间的关系式： （4） 式中 M为被测物质的分子量； ρ为该物质在ToK时的密度；但（4）式是假定分子间无相互作用而推导得到的，所以只能适用于温度不太低的气相体系，然而测定气相的介电常数和密度在实验上困难较大，对某些物质甚至无法获得其气相状态，因此后来提出了一种溶液法来解决这一困难，溶液法的基本思想是，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溶质的摩尔极化度Pm，就可以看作（4）式中的摩尔极化度P。 （5） 式中 ε1、M1、ρ1为溶剂的介电常数，摩尔质量和密度，M2为溶质的摩尔质量。α、β为两常数，它可由下面两个稀溶液的近似公式求出。 ε12＝ε1（1+αX2） （6） ρ12＝ρ1（1＋βX2） （7） 式中ε12、ρ12和X2为溶液的介电常数，密度和溶质的摩尔分数。因此，从测定纯溶剂的ε1、ρ1以及不同浓度（X2）溶液的ε12、ρ12，代入（5）式就可求出溶质分子的总极化度。 上面提到在红外频率的电场下可以测得极性分子的摩尔变形极化度，但在实验上由于条件的限制，很难做到这一点，所以一般是在高频电场下测定极性分子的电子极化度。 根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常数ε与折光率n的关系为： ε＝n2 （8） 习惯上用摩尔折射度R2来表示高频区测得的极化度，而此时P转向＝0，P电子＝0，则