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1、华南师范大学实验报告、实验目的1 .掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术2 . 了解偶极矩与分子电性质的关系3 .测定乙酸乙酯的偶极矩1 .偶极矩与极化度分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核及内层电子）所构成。由于空间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为 非极性分子，后者称为极性分子。1912年，德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义是q q qd式中，q是正负电荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；然是 一个矢量，其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为 10 电荷的数量级为10-20C,所以偶极矩的数量级是10-30C-
2、mi通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称 性，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向某个方向的机 会均等。所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场 E中，则偶 极矩在电场的作用下，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程 度可以用摩尔转向极化度 P也来衡量。R与永久偶极矩 小的平方成正比，与绝对 温度T成反比。式中，k为波兹曼常数；NA为阿弗加德罗常数；T为热力学温度；以为分子 的永久偶极矩在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子，都会发生电子云对分子骨架 的相对移动，分子骨架也会发生形
3、变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导 极化度P诱导来衡量。显然，P诱导可分为两项，即电子极化度 Pe和原子极化度R, 因此P诱导=Pe + Pa如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。 当处于 频率小于1010H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。P = P,+ Pe+Fa如何从测得的摩尔极化度P中分别出P也的贡献呢？介电常数实际上是在 107HZ一下的频率测定的，测得的极化度为P.+ Pe +B。若把频率提高到红外范围, 分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有 Pe和R的贡献了。所以从按介电 常数计算的P中减去
4、红外线频率范围测得的极化，就等于 P、在实验上，若把 频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽略，则在可见光范围：P2=P -( P e +Pa) = P P e2 .摩尔极化度的计算克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数e之问的关系式。e+2 P式中，M为被测物质的摩尔质量；p为该物质的密度；e是介电常数。但式是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的气相体系，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。因袭后来就提出 了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂 中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质
5、的摩尔极化 度可以看作是式中的P。在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩 尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。因此，式可以写成：P125,2 1 x.入 ”+2M1x1 M2x2=X1P1x2P2Pl,2式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；xi表示溶剂的摩尔分数；X2表示 溶质的摩尔分数；耳表示溶剂的摩尔极化度；巳表示溶质的摩尔极化度。对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则Hedestrand可以表示为因此0P = P1 =q 1 M 1-X0P _P1,2X1P _R,2-X1p1 rs X2X2首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数
6、和密度e,2 = e + ax2件2 = 1 + bx2P； = lim P2 = lim2x2-0 2x2-0e+aX21 M1X1+M2X21 一1 M1父一X|M1 +aX2 +21 +bX2 g +21X23a v M1 q -1 M2 -bM12(q +2 ) Pi1 +2 A做 1, 2-X2图，根据式由直线测得斜率a,截距e 1；作P 1,2 -X2图，并根qQ据式？由直线测得斜率b,截距p 1,代入式？得PJ3.由折光度计算电子极化度Pe电子极化度可以使用摩尔折光度 R代替，即 2, 一 2pR；=limR2 .nF1 MbMA .kc_ P R XT n1 +2A6+23根据
7、测量的溶液折射率ni,2作图m.2-X2,由斜率求出c,就可以按照式？计算出Pe 。4.介电常数的测定介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质的电容器两板间电势差就会减少。 设G为极板间处于真空时的电容量，C为充以 电解质时的电容量，则C与G的比值称为该电解质的介电常数：C& = 一?Co,法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是由于电解质在电场中极化而 引起的。极化作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干扰性能
8、好，精度高，但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所 测得的电容C样品包括了样品的电容C样品和电容池的分布电容CX两部分，即C样品=C样品+ Cx对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 Cxo可以先测出以空气为介质的电容，记为C空，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容C标。又因为可得CC标=C标+ CxChC x = C空C标一C空标一1C标一C空e标一1计算出、C0之后，根据式和式？可得样品的介电常数:C溶一Cxg溶= cC05.偶极矩的计算oOoO通过上述步骤分别计算出 P2、R2之后，根据式可得:(1 =9k P2：-R2：T4 uNA= 0.128 , P2二-R2 T三、仪器
9、与试剂（1）仪器电容测量仪、25mL容量瓶，移液管、电子天平、阿贝折射仪、滴管、烧杯、 洗耳球、干燥器等。（2）试剂乙酸乙酯分析纯环己烷分析纯丙酮 分析纯四、实验步骤1 .溶液配制将四个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。在空瓶内分别加入0.5mL、 1.0mL、1.5mL和2.0mL的乙酸乙酯再称重。然后加环己烷至刻度线，称重。操 作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。为此，溶液配好以后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器中。乙酸乙酯 GH9OH,分子量：88环己烷GH%分子量：840.5ml1.0ml1.5ml2.0ml空瓶（g）22.182021.623422.021220.9
10、629空瓶+乙酸乙酯（g）22.630022.516723.383222.7787空瓶+乙酸乙酯+环己烷（g）41.437241.123441.535940.5100溶液中乙酸乙酯质量（g）0.44800.89331.36201.8158溶液中乙酸乙酯尔数（mol）0.00510.01020.01550.0206溶液中划、己烷质量（g）18.807218.606718.152717.7313溶液中环己烷摩尔数（mol）0.22390.22150.21610.2111乙酸乙酯摩尔分数x20.02220.04380.06680.0890溶液质量（g）19.255219.500019.514719.
11、5471溶液密度（g/ml）0.77580.77700.77770.77790.7702080.780.7805880.781884由于，仪器间存在系统误差，已经人为操作因素等的，导致第一次的数据的相关系数很低，故对进行重测，得到的数据如下：空瓶 18.6327 21.8458 20.594919.8056空瓶+ 乙酸乙酯+环己烷 22.5119 25.7309 24.483523.69522 .折射率的测定用阿贝折射仪测定环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需加样两次，读取数据，计算时取平均值。环己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mlni1.42601.42451.42331.4
12、2181.4204nii1.42611.42441.42301.42171.4203n平均1.42611.42451.42321.42181.42043 .介电常数的测定本实验采用环己烷作为标准物质，具介电常数的温度公式为： 环=2.023-0.0016（t-20）式中，t为温度，C。打开电容测量仪，待读数稳定后，记录空气的电容值。分别测量纯环己烷和 配制的4个样品溶液的电容，记录测量的数据。每个样品测量两次，计算时取平 均值。测量一个样品后，需用滤纸把残留样品吸干，才能继续性测量。电容测定电容测定实验空气电容数据（PF） :0 温度（） :20.2划、己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0
13、mlC1 (PF)2.342.632.812.943.13G (PF)2.362.632.792.963.13C平均(PF)2.352.632.802.953.13五、数据处理溶液摩尔分数x的计算 绘制折射率ni,2和溶液摩尔分数X2的工作曲线，并求出斜率c。n1,2X2环己烷1.42610.00000.5ml1.42450.02221.0ml1.42320.04381.5ml1.42180.06682.0ml1.42040.0890ni,2和溶液摩尔分数X2的工作曲线根据最小二乘法求得斜率和截距为：-0.06331.4260相关系数：0.9989 计算环己烷的介电常数e ,求出电容池的分布电
14、容 G 环己烷介电常数：&环=2.023 0.=016(t20) 2.02268计算溶液的介电常数e。 C 标一 C空CX=-2.30Cx = C空-一*标-1 _ C标一C空C=c=2.30根据 & =C溶-Cx求得各溶液的介电常数C0介电常数X20.5ml2.1450.02221.0ml2.2190.04381.5ml2.2840.06682.0ml2.3620.0890 绘制一X2工作曲线，由直线测得斜率a,截距 i2.42.352.32.252.22.152.1&X2工作曲线0.00000.02000.04000.06000.08000.1000X根据最小二乘法求得斜率和截距为：3.21222.0740相关系数：0.9983 绘制作p 1,2 -X 2工作曲线，由直线测得斜率b,截距p 1密度 p (g/m
