实验一、稀溶液法测偶极矩.pdf

稀溶液法测偶极矩 实验二十二 稀溶液法测偶极矩 一、目的要求 1．用溶液法测定极性分子的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。 2．掌握稀溶液法测定偶极矩的实验技术。 二、原理 　　偶极矩是表示分子中电荷分布情况的物理量，它的数值大小可以量度分子的极性。偶 极矩是一个向量，规定其方向由正到负，定义为分子正负电荷中心所带的电荷量q与正负 电荷中心之间的距离d的乘积： 　　　　　　 μ = q· d　　(1) 　　从分子的偶极矩数据的大小可以了解分子的对称性、空间构型等结构特征。由于分子 -8 -10 中原子间距离数量级是10 cm，电子电量数量级是10静电单位，故分子偶极矩的单位习 惯上用德拜(Debye)表示，记为D，它与国际单位库仑·米(c·m)的关系为： -18 -30 　　1D＝1×10 静电单位·厘米＝3.336×10C·m (2) 　　偶极矩的大小与配合物中的原子排列的对称性有关。对于[MA 2B 2]或[MA 4B 2]型配合 物，他们的反式构型应具有对称中心，其偶极矩为0或者比较小，而顺式构型要大得多。应 用这一方法的必要条件是配合物在非极性溶剂中要有一定的溶解度。 　　分子偶极矩通常可采用微波波谱法、分子束法、介电常数法等几种方法进行测量。由 于受仪器和样品的局限，前两种方法使用极少，文献上发表的偶极矩数据均来自介电常数 法。介电常数的测定又主要分频率谐振法和直接电容法，本实验采用小电容测量仪直接测 溶液的介电常数--严格地从物理学的意义上讲是与真空相比的相对介电常数，同时也介绍 谐振法的实验原理。 法，先将被测物质与非极性溶剂配制成不同浓度的稀溶液，再通过测量这些溶液的介电常 数，折射率和密度来计算溶质分子的偶极矩。 　　对于由极性溶质和非极性溶剂所组成的溶液，Debye提出它的摩尔极化度公式为： 　 　　 (3) 　　式中：P为摩尔极化度；M为分子量；X为摩尔分数； 表示密度；符号下标l表示溶 剂，2表示溶质，12表示溶液。 　　摩尔极化度P与介电常数 ε之间关系为： 　　　　　　　　　 　　(4) 　　极性分子在交变电场中所产生的摩尔极化度是转向极化、电子极化和原于极化的总 稀溶液法测偶极矩 和。设P2∞为无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度，应用克劳修斯-莫索蒂-德拜方程得到： 　　　 　(5) 　　式中 α2电和 α2原分别为溶质分子的电子极化率和原子极化率， μ为偶极矩，N为阿伏 加德罗常数。 电子极化度P2电可通过测量折射率和密度，并利用罗伦兹一罗伦斯公式求得： 　　　 　(6) 　　式中R为摩尔折射度。 　　原子极化度P2原 尚无直接测量的实验方法，因它的数值很小，一般将其忽略。由式 （5）和式（6）式得 　　　 　德拜 (7) 　　设W 2为溶质的质量分数．W 2=溶质质量/溶液质量，在稀溶液中，溶液的介电常数 ε12 及折射率的平方nˉ12与W 2有线性关系（假设稀溶液中溶剂的性质与纯溶剂的性质相同）： 　　　　　　　 　　(8) 　　　　　　　 　　(9) 　　　　 　　(10) 　　这样，偶极矩的测定就转化成了介电常数的测定问题 （想过来了吗？）。任何物质的 介电常数 ε可借助于某个电容器的电容值来表示。即 0 ≈ C/ C′0　　(11) 　　　　　 ε＝C / C 　　式中C为某电容器以该物质为介质时的电容值，C 0为同一电容器真空时的电容值。C′ 0为上述电容以空气为介质时的电容值。通常空气的相对介电常数为1.00059 1，于是介电常数的测定就变成了电容的测定。换句话说，只要我们能用某种分度值很小 6 -6