实验40-分子介电常数和偶极矩的测定

1、实验40分子介电常数和偶极矩的测定预习要求1. 分子的介电常数和偶极矩的概念。2小电容测量仪，阿贝折射仪和比重瓶的使用方法及考前须知。 实验目的1. 掌握溶液法测定分子介电常数和偶极矩的原理与方法。2. 掌握测定液体电容的原理与技术实验原理1偶极矩与摩尔极化率分子结构可以近似地看作由电子云和分子骨架 原子核及内层电子所构成 由于其空间构型的不同，其正、负电荷中心可以使重合的，也可以不重合。前者 称为非极性分子，后者称为极性分子。1912年德拜Debye提出 偶极矩卩的概念来度量分子极性的大小，如图 3-30所示。其定义为3-80式中：q正负电荷中心所带的电荷量;d正、负电荷中心之间的距离。对于

2、同一个分子，d的大小与分子的极化率有关。偶极矩 卩是一个矢量，其 方向规定为从正到负。因分子中原子间距离的数量级为 10-10 m,电荷的数量级 为10-20 C库伦，所以偶极矩的数量级是10-30 C m。在电场作用下，分子不管有无极性，都可以被电场极化。分子在电场作用下 的极化可分为三种：电子极化、原子极化和取向极化，分别用 P电子、P原子和P取 向表示，极化的程度可以用摩尔极化率 P表示。在静电场或低频电场中，摩尔极化率 P低频等于三项之和:3-81P P P P 皿刖="tfaN + " GN 4在高频u> 105 S-1电场中，由于极性分子的转向运动跟不上电

3、场频率变化,P取向=0,而原子极化率P原子仅为电子极化率P电子的5 %10 %，那么由玻尔兹曼Boltzmann分布证明:3-83式中：Lx 1023 mol-1；kx 10-23 J - K-1;T热力学温度；卩一一分子的永久偶极矩。因此，只要测得在低频及高频电场中的摩尔极化率，就可以根据式3-83求出w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. 摩尔极化率与介电常数依据克劳修斯-莫索第-德拜Clausius-Mosotti-Debye方程，对于分子间不 存在相互极化的系统，有f-1 Mjy p -f + 2 p式中：P气态物质分子在静电场或

4、低频电场作用下的摩尔极化率。而实际上，为防止物质在气态时测量的困难，常将极性溶质溶解在非极性溶剂中配成无限稀的溶液。在无限稀的溶液中，极性溶质的摩尔极化率P用 代 替，即"二 4 p 3-84对于无限稀溶液，溶液的介电常数&溶液的密度p及溶质的摩尔分数的关系可以近似表示为3-85于是，对于低频电场作用下的无限稀溶液，可以导出3-863-87式中:溶剂的介电常数、密度和摩尔质量待定常数。3. 摩尔极化率与折射率在高频词电场u> 15)s-1丨下，透明物质的介电常数系为£ =召。于是，依据式3-84有&与其折射率n的关3-88稀溶液的折射率n与溶质的摩尔分

5、数的关系为3-89于是可以导出以上三式中：'和无限稀溶液中溶质的摩尔折射3-90勺一一待定常数。4、偶极矩卩的计算结合式3-82、式3-83、式3-87和式3-90可以导出偶极矩的计 算公式如下：:单位：d，德拜(3-91)：厂八/疔瓷円单位：c . m,库伦米(3-92)由此可见，只要通过介电常数、密度、折射率等物质宏观性质的测定即可求 pt*尺 S得微观性质摩尔极化率 日和摩尔折射率0以及分子偶极矩。5. 介电常数的测定物质B的介电常数£定义为电容器中用该物质为电解质时的电容 C和同一电容器中为真空时的电容 Co之比值：£ 二 g(3-93)当用电容测定仪测量某

6、物质的电容时，实测电容物质 B的电容Cb和仪器分布电容Cd之和，故需要用介电常数的标准物质把仪器的分布电容测出来。方法 是，先将介电常数为 s的物质充入电容器中，实测电容冈应为 和 之和, 即(3-94)近G +叼同理，当电容器中只有空气时的实测电容为(3-95)式3-94一式3-95得(3-96)取空气的电容近似等于真空的电容Cair&，由式3-93得(3-97)将式3-96和3-97联立解得Cair:再将解得的Cair代入式(3-98)有了 Cd之后，再将待测溶液或待测液体充入电容器，测得总电容(3-99)C,其真实电容将C代入式3-93计算其介电常数 仪器和药品仪器：精密电容测量

7、仪，阿贝折射仪，电容池，比重管，油浴超级恒温槽，枯燥 器，容量瓶。药品：正己烷AR，环己酮AR，苯AR，经枯燥。实验步骤1溶液的配制用环己烷作为溶剂，配制环己酮的摩尔分数分别为 0.01、0.02、0.03、0.06和0.09 的溶液各25 mL，配好后立即转入枯燥器内。2. 折射率n的测定用阿贝折射仪测定25 oC下溶剂环己烷及各溶液的折射率，每个试样测3次，取平均值。3. 介电常数的测定以苯为标准物质，用精密电容测量仪测量 25 °C下苯、空气、环己酮及各溶液的电容。苯的介电常数与温度的关系如下：fs = 2,283 - (Jr0U19(i £： - 20)测得每一个试

8、样的冋之后都需要吹干电容池，重测 ，每个 都要重复读数3次,每两次之间的读数误差不超过0.05 pF皮法4. 密度的测定如果液体有挥发性，要用比重管测其密度。比重管构造如图3-31所示。E、F两臂端各有一个磨口帽，F臂上有一刻度线S。使用时，摘下二磨口帽，将比重管 倒置，使E臂端插入待测液体中，用洗耳球从 F臂端慢慢将液体吸入比重管， 直至液体超过S刻度线，比重管内没有气泡为止。盖上磨口帽置于恒温槽中恒温 10 min,然后摘下磨口帽稍向E臂端倾斜，用滤纸从E臂端口处吸去多余液体， 使F臂端液面刚好在刻度S处，然后先盖上E臂端的磨口帽，再盖上F臂端的 磨口帽，取出比重管，用滤纸擦干，挂在天平上

9、称其质量，为。用上述方法称量充以密度为p的参考液体的比重管的质量为匹I,然后称量空比重管，得质量为，那么待测液体的密度为(3-100)参考液体通常用水。为使比重管容易枯燥同时防止其他杂质混入，可用纯溶剂作为参考液体图3-31比重管构造示意图数据处理1将环己烷、环己酮及各溶液的有关数据列表2.用式3-100计算各溶液的密度，做 p钊图，求出式3-86中的k203作各溶液折射率一组成图，即n-图，由直线斜率根据式3-89求得k3o4. 由测得的匚、匸刖和色，根据式3-98和式3-95算出Co即Cair和 Cd。5. 由各溶液及液体的实测电容，计算其各自的真实电容C,根据式3-93计算各溶液及液体的介电常数&6. 作各溶液的&图，由直线斜率，根据式3-85求得ki o7. 由式3-87计算环己酮的門，8. 由式3-90计算环己酮的 日。9. 由式3-92计算环