實(shí)驗(yàn)40-分子介電常數(shù)和偶極矩的測(cè)定.doc

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1、實(shí)驗(yàn)40分子介電常數(shù)和偶極矩的測(cè)定預(yù)習(xí)要求1.分子的介電常數(shù)和偶極矩的概念。2.小電容測(cè)量?jī)x，阿貝折射儀和比重瓶的使用方法及注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握溶液法測(cè)定分子介電常數(shù)和偶極矩的原理與方法。2.掌握測(cè)定液體電容的原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)原理1.偶極矩與摩爾極化率分子結(jié)構(gòu)可以近似地看作由電子云和分子骨架（原子核及內(nèi)層電子）所構(gòu)成。由于其空間構(gòu)型的不同，其正、負(fù)電荷中心可以使重合的，也可以不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。1912年德拜（Debye）提出“偶極矩”μ的概念來度量分子極性的大小，如圖3-30所示。其定義為（3-80）式中：q——正（負(fù)）電荷中心所帶的電

2、荷量；d——正、負(fù)電荷中心之間的距離。對(duì)于同一個(gè)分子，d的大小與分子的極化率有關(guān)。偶極矩μ是一個(gè)矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間距離的數(shù)量級(jí)為10-10m，電荷的數(shù)量級(jí)為10-20C（庫倫），所以偶極矩的數(shù)量級(jí)是10-30C·m。在電場(chǎng)作用下，分子不管有無極性，都可以被電場(chǎng)極化。分子在電場(chǎng)作用下的極化可分為三種：電子極化、原子極化和取向極化，分別用P電子、P原子和P取向表示，極化的程度可以用摩爾極化率P表示。在靜電場(chǎng)或低頻電場(chǎng)中，摩爾極化率P低頻等于三項(xiàng)之和：（3-81）在高頻（υ≥1015s-1）電場(chǎng)中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)跟不上電場(chǎng)頻率變化，P取向=0

3、，而原子極化率P原子僅為電子極化率P電子的5%~10%，則（3-82）由玻爾茲曼（Boltzmann）分布證明：（3-83）式中：L——阿伏伽德羅常量（6.022×1023mol-1）；k——玻爾茲曼常量（1.3806×10-23J·K-1）；T——熱力學(xué)溫度；μ——分子的永久偶極矩。因此，只要測(cè)得在低頻及高頻電場(chǎng)中的摩爾極化率，就可以根據(jù)式（3-83）求出μ。通過測(cè)定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對(duì)稱性，判斷幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)。1.摩爾極化率與介電常數(shù)依據(jù)克勞修斯-莫索第-德拜（Clausius-Mosotti-Debye）方程，對(duì)于分子間不存在相

4、互極化的系統(tǒng)，有式中：P——?dú)鈶B(tài)物質(zhì)分子在靜電場(chǎng)或低頻電場(chǎng)作用下的摩爾極化率。而實(shí)際上，為避免物質(zhì)在氣態(tài)時(shí)測(cè)量的困難，常將極性溶質(zhì)溶解在非極性溶劑中配成無限稀的溶液。在無限稀的溶液中，極性溶質(zhì)的摩爾極化率P用代替，即（3-84）對(duì)于無限稀溶液，溶液的介電常數(shù)ε、溶液的密度ρ及溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系可以近似表示為（3-85）（3-86）于是，對(duì)于低頻電場(chǎng)作用下的無限稀溶液，可以導(dǎo)出（3-87）式中：、、——溶劑的介電常數(shù)、密度和摩爾質(zhì)量;——溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量;、——待定常數(shù)。1.摩爾極化率與折射率在高頻詞電場(chǎng)（υ≥1015s-1）下，透明物質(zhì)的介電常數(shù)ε與其折射率n的關(guān)系為

5、ε=n2。于是，依據(jù)式（3-84）有（3-88）稀溶液的折射率n與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系為（3-89）于是可以導(dǎo)出（3-90）以上三式中：和——溶液和溶劑的折射率；——無限稀溶液中溶質(zhì)的摩爾折射;——待定常數(shù)。4、偶極矩μ的計(jì)算結(jié)合式（3-82）、式（3-83）、式（3-87）和式（3-90）可以導(dǎo)出偶極矩的計(jì)算公式如下：（單位：D，德拜）(3-91)（單位：C·m，庫倫·米）(3-92)由此可見，只要通過介電常數(shù)、密度、折射率等物質(zhì)宏觀性質(zhì)的測(cè)定即可求得微觀性質(zhì)摩爾極化率和摩爾折射率以及分子偶極矩。5．介電常數(shù)的測(cè)定物質(zhì)B的介電常數(shù)ε定義為電容器中用該物質(zhì)為電解質(zhì)時(shí)的

6、電容C和同一電容器中為真空時(shí)的電容C0之比值：(3-93)當(dāng)用電容測(cè)定儀測(cè)量某物質(zhì)的電容時(shí)，實(shí)測(cè)電容物質(zhì)B的電容CB和儀器分布電容Cd之和，故需要用已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)把儀器的分布電容測(cè)出來。方法是，先將已知介電常數(shù)為εs的物質(zhì)充入電容器中，實(shí)測(cè)電容應(yīng)為和之和，即(3-94)同理，當(dāng)電容器中只有空氣時(shí)的實(shí)測(cè)電容為(3-95)式（3-94）—式（3-95）得(3-96)取空氣的電容近似等于真空的電容Cair≈C0，由式（3-93）得(3-97)將式（3-96）和（3-97）聯(lián)立解得Cair：(3-98)再將解得的Cair代入式（3-95）解出Cd得(3-99)有了Cd

7、之后，再將待測(cè)溶液或待測(cè)液體充入電容器，測(cè)得總電容C，其真實(shí)電容。將C代入式（3-93）計(jì)算其介電常數(shù)。儀器和藥品儀器：精密電容測(cè)量?jī)x，阿貝折射儀，電容池，比重管，油浴超級(jí)恒溫槽，干燥器，容量瓶。藥品：正己烷（AR），環(huán)己酮（AR），苯（AR，經(jīng)干燥）。實(shí)驗(yàn)步驟1.溶液的配制用環(huán)己烷作為溶劑，配制環(huán)己酮的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.01、0.02、0.03、0.06和0.09的溶液各25mL，配好后立即轉(zhuǎn)入干燥器內(nèi)。2.折射率n的測(cè)定用阿貝折射儀測(cè)定25oC下溶劑環(huán)己烷及各溶液的折射率，每個(gè)試樣測(cè)3次，取平均值。3.介電常數(shù)的測(cè)定以苯為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，用精密電容測(cè)量