物理化学-结构化学实验报告_偶极矩.doc

偶极矩的测定 马瑞 摘 要： 关键词： The Determination of Dipole Moment Ma Rui (Marine.Marion) ( NCL USTC Hefei Anhui P.R.China， 230026 ) Email：marion@USTC.edu Abstract：A molecule in electric field is acted on by distortion polarization and orientation polarization, so the dielectric constant is bear upon intrinsic dipole, induced dipole and orientation polarization. In this experiment, we determine the refractive indexes, dielectric constants and density of 1-butyl alcohol cyclohexane solution under different concentrations. The data are processed to resolve the linear relation constant by using extrapolation, and then we can get the intrinsic dipole moment of 1-butyl alcohol. Key words：1-Butyl alcohol, Dipole moment, Polarization, Dielectric 偶极矩是一个向量，方向规定从负电荷指向正电荷——注意，以前化学上曾经约定为相反的方向，但是现在与物理学采用了一致的约定“从负到正”！电偶极矩的SI制单位为Cm，微观物理学中常用的单位为“德拜Debye”，1Debye=3.336E-30C·m。[4] 如右图，假设一个中性分子的正负电荷中心不重合，则此分子的静电学性质可以简化为图中所示的电偶极子模型，其中是由负电中心到正电中心的向量，q是正或负电荷电量的绝对值。那么偶极矩。分子的正负电荷中心不重合，正负电荷中心重合正负电荷中心 理论准备与实验操作： 仪器与试剂 电子天平 阿贝折光仪 精密电容测量仪，电容池 超级恒温水浴，电吹风 容量瓶，胶头滴管，移液管，洗耳球 比重瓶 正丁醇（分析纯） 74.12 g/mol 环已烷（分析纯） 84.16 g/mol 方法暨原理 电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大这样会使分子产生附加的偶极矩（诱导偶极矩）。这种现象称为分子的变形极化可以用平均诱导偶极矩m来表示变形极化的程度。在中等电场下设 m=αDE内式中E内为作用于个别分子上的强场αD为变形极化率因为变形极化产生于两种因素：分子中电子相对于核的移动和原子核间的微小移动，所以有 αD=αE+αA式中αE、αA分别称为电子极化率和原子极化率。 设n为单位体积中分子的个数，根据体积极化的定义（单位体积中分子的偶极矩之和）有 P=nm=nαDE内 为了计算E内，考虑电场分子受到：电荷σ所产生的力F1 电介质极化产生的感生电荷σ’产生的力F2 单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力F3 各分子间的相互作用F4 E内=E1+E2+E3=4πσ+4πP+ 式中σ为极板表面电荷密度。平行板电容器内电量为定值的条件下： ε=C/C0=E0/E式中εC分别为电介质的介电常数和电容器的电容脚标0对应于真空条件下的数值因为E=4πσ-4πσ’=E0-4πσ’ 又 E0=εE 可得 式中σ’为感生电荷面电荷密度。体积极化定义为单位立方体上下表面的电荷σ’间距的积，所以 P=1×σ’=σ’ ，即 可得E内=P=nαDE内=即式两边同乘分子量M和同除以介质的密度ρ，并注意到nM/ρ=N0，即得 这就是Clausius-Mosotti方程定义摩尔变形极化度 电场中的分子除了变形极化外还会产生取向极化，即具有偶极矩的分子在电场的作用下，会或多或少地转向电场方向。它对极化率的贡献为PO，总摩尔极化度为 P=PD+PO=PE+PA+PO式中PE、PA、PO分别为摩尔电子极化度，摩尔原子极化度和摩尔取向极化度 ， 由玻尔兹曼分布定律可得： 式中μ为极性分子的固有偶极矩，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度 此式称为Clausius-Mosotti-Debye方程。 将电介质置于交变电场中，其极化和电场变化频率有关交变电场的频率小于1010时，极性分子的摩尔极化度P中包含了电子原