偶极矩的测定--用小电容测量仪测偶极矩(带思考题答案).doc

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1、用小电容测量仪测偶极矩【实验目的】1.掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。2.熟悉小电容仪、折射仪的使用。3.用溶液法测定正丁醇的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。【实验原理】1.偶极矩与极化度分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩μ来度量，其定义为μ=gd                 (1)式中，g为正、负电荷中心所带的电荷量;d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库米(C·m)。而过去习惯使用的单位是德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。若将极性分

2、子置于均匀的外电场中，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，称为极化。极化的程度用摩尔极化度P来度量。P是转向极化度(P转向)、电子极化度(P电子)和原子极化度(P原子)之和，P=P转向+P电子+P原子      (2)其中，                                  (3)式中，NA为阿佛加德罗(Avogadro)常数;K为玻耳兹曼(Boltzmann)常数;T为热力学温度。由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P原子，(2)式可写成P=P转向+P电子         (4)只要

3、在低频电场(ν<1010s-1)或静电场中测得P;在ν≈1015s-1的高频电场(紫外可见光)中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P转向=0，P原子=0，所以测得的是P电子。这样由(4)式可求得P转向，再由(3)式计算μ。通过测定偶极矩，可以了解分子中电子云的分布和分子对称性，判断几何异构体和分子的立体结构。2.溶液法测定偶极矩所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定，然后外推到无限稀释。因为在无限稀的溶液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的偶极矩可按下式计算:        (5)式中，P∞2和R∞2分别表示无限稀

4、时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度(习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子);T是热力学温度。    本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液，然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P∞2;在可见光下测定溶液的R∞2，然后由(5)式计算正丁醇的偶极矩。(1)极化度的测定无限稀时，溶质的摩尔极化度P∞2的公式为                   (6) 式中，ε1、ρ1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量，其中密度的单位是g·cm-3;M2为溶质的相对分子质量;α和β为常数，可通过稀溶液的近似公式求得:                (7

5、)                      (8)式中，ε溶和ρ溶分别是溶液的介电常数和密度;x2是溶质的摩尔分数。无限稀释时，溶质的摩尔折射度R∞2的公式为          (9)式中，n1为溶剂的折射率;γ为常数，可由稀溶液的近似公式求得:                        (10)式中，n溶是溶液的折射率。其中α、γ分别根据ε12～x2、n12～x2作图求出。本实验中，取β=0(2)介电常数的测定介电常数是通过测定电容，计算而得到。按定义（11）其中C0是以真空为介质的电容，C是充以介电常数为ε的介质时的电容。实验上通常以空气为介质时的电容为C0

6、，因为空气相对于真空的介电常数为1.0006，与真空作介质的情况相差甚微。由于小电容测量仪测定电容时，除电容池两极间的电容C0外，整个测试系统中还有分布电容Cd的存在，即Cx/=Cx+Cd（12）其中，Cx/为实验所测值，Cx为真实的电容。对于同一台仪器和同一电容池，在相同的实验条件下，Cd基本上是定值，故可用一已知介电常数的标准物质进行校正，以求得Cd。ε环己烷=2.023-0.0016*（t-20）本实验采用电桥法。校正方法如下：C空/=C空+Cd（13）C标/=C标+Cd（14）ε标=C标/C空（C空≈C0）（15）故Cd=（ε标C空/-C标/）/（ε标-1）（

7、16）将Cd代入(13)和(14)式即可求得C溶和C空。这样就可计算待测液的介电常数。【仪器药品】小电容测量仪1台;阿贝折射仪1台;吸耳球1只;滴瓶6只;滴管6只,2ml移液管6只。环己烷(AR);正丁醇摩尔分数分别为0.04，0.06，0.08，0.10和0.12的五种正丁醇—环己烷溶液。【实验步骤】1.折射率的测定（γ）（1）用阿贝折射仪分别测定环己烷和五份溶液的折射率，并记录测量温度。测量两次，取平均值。（2）由公式，以(n溶/n1)～X2作图，从直线的斜率求γ2.电容的测定（α）(1)将电容测量仪通电，预热20min。(2)将电容仪与电容池连