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溶液法测定极性分子的偶极矩 —— Dipole Moment of a Polar Molecule 一 目的要求 了解偶极矩与分子电性质的关系 掌握溶液法测定偶极矩的实验技术 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩 二 实验原理 偶极矩与极化度 1912年Debye提出“偶极矩”μ的概念来度量分子极性的大小,其定义是: μ=q·d (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;μ是一个矢量,其方向规定为从正到负,数量级为10-30C·m。 二 实验原理 极性分子具有永久偶极矩,在没有外电场存在时,其偶极矩的统计值为零 。 若将极性分子置于均匀的电场中, 则偶极矩在电场的作用下会趋向电场方向排列。这是我们称这些分子被极化了,极化的程度可用摩尔转向极化度(P转向)来衡量 。 当处于频率小于1010s-1的低频电场或静电场中,极性分子所产生的摩尔极化度P是转向极化、电子极化和原子极化的总和。 当频率增加到1012~1014s-1的中频(红外频率)时,此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度P诱导。 当交变电场的频率进一步增加到大于1015s-1的高频(可见光和紫外频率)时,极性分子的摩尔极化度等于电子极化度P电子。 原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P,在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度P诱导,两者相减得到极性分子摩尔转向极化度 P转向,然后代入(2)式就可算出极性分子的永久偶极矩来。 ε溶=ε1(1+αx2) (5) ρ溶=ρ1(1+βx2) (6) 偶极矩的测定 考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5%~15%,而且P转向又比P电子大得多,故常常忽视原子极化度。 分子的永久偶极矩可用下面简化式计算 介电常数的测定 介电常数是通过测量电容计算得到的。本实验采用电桥法测量电容。 测量物质的介电常数ε与电容的关系为: 式中C0,ε0分别为真空时的电容和电容率;Cx,εx分别为充满某物质时的电容和电容率。 电容池插在小电容测量仪的插孔上呈现的电容Cx可看作电容池两电极间的电容Cc和整个测试系统中的分布电容Cd并联所构成,即Cx=Cc+Cd。 Cd对同一台仪器而言是一个恒定值,称为仪器的本底值,需先求出仪器的Cd,并在各次测量中予以扣除。 三、实验仪器 四、实验步骤 四、实验步骤 (2)将电容仪与电容池,调节零电位器使数字表头指示为零。然后测定C′空值。 (3)移取1mL四氯化碳加入到电容池中,数字表头上所示值即为C′标 (4)用冷风将样品室吹干后再测C′空值,与前面所测的C′空值应小于0.05pF。然后装入溶液,同样方法测定六份溶液的C′溶。 ? 每次测定前要用冷风将电容池吹干,并重测C′空,与原来的C′空值相差应小于0.01pF。严禁用热风吹样品室。 ? 测C′溶时,操作应迅速,池盖要盖紧,防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽。装样品的滴瓶也要随时盖严。 ? 每次装入量严格相同,样品过多会腐蚀密封材料渗入恒温腔,实验无法正常进行。 ?要反复练习差动电容器旋钮、灵敏度旋钮和损耗旋钮的配合使用和调节,在能够正确寻找电桥平衡位置后,再开始测定样品的电容。 ? 注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线,以免损坏。 计算不同溶液的实际浓度x2。 计算C0、Cd和各溶液的Cx值,求出各溶液的介电常数ε溶,作ε溶~x2图,由直线斜率求算α值。 计算纯四氯化碳和各溶液的密度ρ,作ρ~x2图,由直线斜率求算β值。 作n溶~x2图,由直线斜率求算γ值。 将ρ2、ε1、α和β值代入(4)式,计算P2∞ 。 将ρ1、n1、β和γ值代入(7)式,计算R2∞ 。 将P2∞、 R2∞值代入(10)式,计算乙酸乙酯的偶极矩μ值。 七、实验成败的关键 八、实验讨论 1. 从偶极矩的数据可以了解分子的对称性,判别其几何异构体和分子的主体结构等问题。 2. 偶极矩一般是通过测定介电常数、密度,折射率和浓度来求算的。对介电常数的测定除电桥法外,其它主要还有拍频法和谐振法等,对于气体和电导很小的液体以拍频法为好;有相当电导的液体用谐振法较为合适;对于有一定电导但不大的液体用电桥法较为理想。 八、实验讨论 3. 虽然电桥法不如拍频法和谐振法精确,但设备简单,价格便宜。 4. 测定偶极矩的方法除由对介电常数等的测定来求外,还有多种其它的方法,如分子射线法,分子光谱法,温度法以及利用微波谱的斯塔克效应等。 5. 还可用不同的溶剂来测定体系的偶极矩如:苯和环己烷为溶剂测定氯苯的
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