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注意事项。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”“的概念来度量分子极性的大小，如图3-30所示。其定义为卜=:-（3-80）式中：q正（负）电荷中心所带的电荷量；d正、

2、负电荷中心之间的距离。对于同一个分子，d的大小与分子的极化率有关。偶极矩“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10-10m,电荷的数量级为10-20C（库伦），所以偶极矩的数量级是10-30cm。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、P和P电子原子取表示，极化的程度可以用摩尔极化率P表示。向在静电场或低频电场中，摩尔极化率P等于三项之和：低频?心=匕二一匕二一九-（3-81）在高频（U1015s-1）电场中，由于极性分子的转向运动跟不上电场频率变化,P=0，而原子极化率P仅为电子极化

3、率P的5%10%，则取向原子电子F一一召上=<=-(3-82)由玻尔兹曼(Boltzmann)分布证明：?：-迁二二二厂二(3-83)式中：L阿伏伽德罗常量(6.022X1023mol-1)；k尔兹曼常量(1.3806X10-23jK-1)；T力学温度；“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“。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E-lMP=

4、P1=T+2'7式中：P态物质分子在静电场或低频电场作用下的摩尔极化率。而实际上，为避免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用芳代替，即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z=<1-'5(3-85)P=丹(1+3-86)于是，对于低频电场作用下的无限稀溶液，可以导出3-87)式中：二、匚、二一一溶剂的介电常数、密度和摩尔质量;5溶质的摩尔质量；匚、门待定常数。3. 摩尔极化率与折射率在高频词电场（u10S-1）下，透明物质的介电常数

5、£与其折射率n的关系为£=n2。于是，依据式（3-84）有3-88)稀溶液的折射率n与溶质的摩尔分数的关系为3-89)n=-)(1+為咒J于是可以导出Pa3-90)以上三式中：和二溶液和溶剂的折射率；E/无限稀溶液中溶质的摩尔折射；门待定常数。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：月二:j,l菠巴：-砖丁（单位：D,德拜）（3-91）卩二-.：.：!?-=右-右（单位：Cm,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得微观性质摩尔极化率芳和摩尔折射率亡:以

6、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C0之比值：:=二（3-93）当用电容测定仪测量某物质的电容时，实测电容物质B的电容CB和仪器分布电容Cd之和，故需要用已知介电常数的标准物质把仪器的分布电容测出来。方法是，先将已知介电常数为代的物质充入电容器中，实测电容6应为2和二之和，即二二二一二（3-94）同理，当电容器中只有空气时的实测电容为二，二_；-.-二：（3-95）式（3-94）式（3-95）得-=-（3-96）取空气的电容近似等于真空的电容C.£，由式（3-93）得air0-（3-97）将式

7、（3-96）和（3-97）联立解得Cair：air（3-98）再将解得的C.代入式（3-95）解出C/得aird(3-99)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C,其真实电容C=：-二。将C代入式（3-93）计算其介电常数。仪器和药品仪器：精密电容测量仪，阿贝折射仪，电容池，比重管，油浴超级恒温槽，干燥器，容量瓶。药品：正己烷（AR）,环己酮（AR）,苯（AR,经干燥）。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25mL,配好后立即转入干燥器内。2. 折射率n的测定用阿贝折射仪测定25oC下溶

8、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25oC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：E,=2.283-0.0019(t/%-20)测得每一个试样的】'之后都需要吹干电容池，重测二:、.，每个i?都要重复读数3次，每两次之间的读数误差不超过0.05pF(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

9、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10min,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，挂在天平上称其质量，为：“心。用上述方法称量充以已知密度为p的参考液体的比重管的质量为=：_，然后称量空比重管，得质量为7，则待测液体的密度为(3-100)参考液体通常用水。为使比重管容易干燥同时避免其他杂质混入，可用纯溶剂作为参考液体。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-=图，求出式（3-86）中的k2。3. 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k3。4. 由测得的4、£為和务，根据式（3-98）和式（3-95）算出C。（即Cair）和Cd。5. 由各溶液及液体的实测电容二，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）求得勺。7. 由式（3-87）计算环己酮的芳。8. 由式（3-90）计算环己酮的亡:。9. 由式（3