浅谈溶液法测定极性分子的偶极矩.docVIP

溶液法测定极性分子的偶极矩 一、实验目的 了解电介质极化与分子极化的概念，以及偶极矩与分子极化性质的关系。掌握溶液法测定极性分子永久偶极矩的理论模型和实验技术，用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。 二、实验原理 德拜（Peter Joseph William Debye）指出，所谓极性物质的分子尽管是电中性的，但仍然拥有未曾消失的电偶极矩，即使在没有外加电磁场时也是如此。分子偶极矩的大小可以从介电常数的数据中获得，而对分子偶极矩的测量和研究一直是表征分子特性重要步骤。 1、偶极矩、极化强度、电极化率和相对电容率（相对介电常数） 首先定义一个电介质的偶极矩（dipole moment）。考虑一簇聚集在一起的电荷，总的净电荷为零，这样一堆电荷的偶极矩是一个矢量，其各个分量可以定义为 式中电荷的坐标为。偶极矩的SI制单位是：。 将物质置于电场之中通常会产生两种效应：导电和极化。导电是在一个相对较长的（与分子尺度相比）距离上输运带电粒子。极化是指在一个相对较短的（小于等于分子直径）距离上使电荷发生相对位移，这些电荷被束缚在一个基本稳定的、非刚性的带电粒子集合体中（比如一个中性的分子）。 一个物质的极化状态可以用矢量表示，称为极化强度（polarization）。矢量的大小定义为电介质内的电偶极矩密度，也就是单位体积的平均电偶极矩，又称为电极化密度，或电极化矢量。这定义所指的电偶极矩包括永久电偶极矩和感应电偶极矩。的国际单位制度量单位是。为取平均的单位体积当然很小，但一定包含有足够多的分子。在一个微小的区域内，的值依赖于该区域内的电场强度。 在这里，有必要澄清一下物质内部的电场强度的概念。在真空中任意一点的电场强度的定义为：在该点放置一个电荷为的无限微小的“试验电荷”，则该“试验电荷”所受到的力为。当将这个定义应用到物质内部时，在原子尺度上会引起巨大的电场涨落。为此，物质内部某一点的宏观电场强度定义为在该点邻近的小区域内原子尺度电场强度的平均值，这个小区域当然比通常标准要小得多，但仍足以容纳足够多的分子。 在电磁学中，电介质响应外加电场而极化的程度可以用电极化率（electric susceptibility）来度量，在各向同性、线性和均匀的电介质中，电极化率的定义为 （18-1） 式中，为真空电容率（vacuum permittivity），或真空介电常数（vacuum dielectric constant）。 可以用电位移矢量来表示电场如何影响电介质中电荷的重排（包括电荷迁移和电偶极转向等），矢量的定义为 （18-2） 由此得到电位移矢量正比于电场强度 （18-3） 式中为电介质的绝对电容率（absolute permittivity），也称为介电常数（dielectric constant）。 定义相对电容率（relative permittivity） 也称为相对介电常数（relative dielectric constant）。据此得到电极化率与相对电容率的关系为 （18-4） 在真空中，电极化率。 由此可见，电容率和介电常数其实是一个概念。介电常数是在介质内部形成电场时遇到的阻碍程度的度量，也就是说，介电常数度量了外电场与电介质之间的相互影响。介电常数越大，电介质中单位电荷产生的电场（或电流）也越大，在电介质内部的电场强度会有可观的下降。此外，我们常用来表征电介质或绝缘材料的电性能，即在同一电容器中用某一物质为电介质时的电容和真空时的电容的比值 （18-5） 表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。相对介电常数愈小绝缘性愈好，空气和的值分别为1.0006和2.6左右，而水的值特别大，10℃时为 83.83。介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量，一个电容板中充入介电常数为的物质后电容变大倍。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性，例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。 介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及