試驗40分子介電常數(shù)和偶極矩的測定

1、實驗40分子介電常數(shù)和偶極矩的測定預(yù)習(xí)要求.分子的介電常數(shù)和偶極矩的概念。.小電容測量儀，阿貝折射儀和比重瓶的使用方法及注意事項。實驗?zāi)康?掌握溶液法測定分子介電常數(shù)和偶極矩的原理與方法。.掌握測定液體電容的原理與技術(shù)實驗原理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”小的概念來度量分子極性的大小，如圖 3-30所示。其定義為二 q，d（ 3-80）式中：q正（負(fù)）電荷中心所帶的電荷量；d正、負(fù)電荷中

2、心之間的距離。對于同一個分子，d的大小與分子的極化率有關(guān)。偶極矩 n是一個矢量，其 方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間距離的數(shù)量級為 10-10 m,電荷的數(shù)量級 為10-20 C （庫倫），所以偶極矩的數(shù)量級是10-30 C m。在電場作用下，分子不管有無極性，都可以被電場極化。分子在電場作用下 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。在靜電場或低頻電場中，摩爾極化率 P低頻等于三項之和：(3-81)在高頻（2105 s-1）電場中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向運動跟不上電場頻率變化,P取向=0,而原子極化率P原子僅為電

3、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(6.022X 1023 mol-1);k玻爾茲曼常量(1.3806X 10-23 J K-1);T熱力學(xué)溫度；四分子的永久偶極矩。3-83)因此，只要測得在低頻及高頻電場中的摩爾極化率，就可以根據(jù)式( 求出即通過測定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對稱性，判斷幾 何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)。.摩爾極化率與介電常數(shù)依據(jù)克勞修斯-莫索第-彳惠拜(Clausius-Mosotti-Debye)方程，對于分子間不 存在相互極化的系統(tǒng)，有E-1 MP Pm中=蚓 + 2 p式

4、中：P氣態(tài)物質(zhì)分子在靜電場或低頻電場作用下的摩爾極化率。而實際上，為避免物質(zhì)在氣態(tài)時測量的困難，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用用代替，即對于無限稀溶液，溶液的介電常數(shù)&溶液的密度P及溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系可以近似表示為 二段 (1 + 53(3-85)(3-86)P = Pj(1 + Ms)于是，對于低頻電場作用下的無限稀溶液，可以導(dǎo)出(3-87)式中：&、缸 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)。.摩爾極化率與折射率在高頻詞電場（uVbs-1）下，透明物質(zhì)的介電常數(shù)e與其折射率n的關(guān)系為e =n。于是，依據(jù)

5、式（3-84）有(3-88)稀溶液的折射率n與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)冊的關(guān)系為(3-89)于是可以導(dǎo)出P版叫U哂嗡空+黯(3-90)以上三式中：R和取一一溶液和溶劑的折射率；二一一無限稀溶液中溶質(zhì)的摩爾折射；待定常數(shù)。4、偶極矩小的計算結(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 算公式如下：“二 0.12B,Pk Rfjf（單位：D,德拜） （3-91）口 二42.6X10TI（瞪一嗒）?。▎挝唬篊 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)的測定即可求 得微觀性質(zhì)摩爾極化率 般和摩爾折射率以及分子偶極矩5.介電常數(shù)的測定物

6、質(zhì)B的介電常數(shù)e定義為電容器中用該物質(zhì)為電解質(zhì)時的電容 C和同一 電容器中為真空時的電容C0之比值：E二皿（3-93）當(dāng)用電容測定儀測量某物質(zhì)的電容時，實測電容物質(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出來。方法 是，先將已知介電常數(shù)為&的物質(zhì)充入電容器中，實測電容C；應(yīng)為。和&之和， 即C二&+0同理，當(dāng)電容器中只有空氣時的實測電容為比二品色+Q式（3-94）式（3-95）得Qi產(chǎn)。國取空氣的電容近似等于真空的電容 Cair前0,由式（3-93）得%二 CJC由將式（3-96）和（3-97）聯(lián)立解得Cair：(3-94)(3-95)(3-96)(

7、3-97)（3-99）C,其真實電(3-98)再將解得的Cair代入式（3-95）解出Cd得L g有了 Cd之后，再將待測溶液或待測液體充入電容器，測得總電容容。=一 。將C代入式（3-93）計算其介電常數(shù) 儀器和藥品儀器：精密電容測量儀，阿貝折射儀，電容池，比重管，油浴超級恒溫槽，干燥 器，容量瓶。藥品：正己烷（AR）,環(huán)己酮（AR）,苯（AR,經(jīng)干燥）實驗步驟.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25 mL,配好后立即轉(zhuǎn)入干燥器內(nèi)。.折射率n的測定用阿貝折射儀測定25 0c下溶劑環(huán)己烷及各溶液的折射率，每個試樣測

8、3次，取平均值。.介電常數(shù)的測定以苯為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，用精密電容測量儀測量 25 C下苯、空氣、環(huán)己酮及各溶液的 電容。苯的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：es = 2283-0.0019(-20)測得每一個試樣的之后都需要吹干電容池，重測每個(都要重復(fù)讀數(shù)3次，每兩次之間的讀數(shù)誤差不超過 0.05 pF (皮法).密度的測定如果液體有揮發(fā)性，要用比重管測其密度。比重管構(gòu)造如圖3-31所示。E、F兩臂端各有一個磨口帽，F(xiàn)臂上有一刻度線So使用時，摘下二磨口帽，將比重管 倒置，使E臂端插入待測液體中，用洗耳球從 F臂端慢慢將液體吸入比重管， 直至液體超過S刻度線，比重管內(nèi)沒有氣泡為止。蓋上磨口帽置于恒溫槽中

9、恒溫 10 min,然后摘下磨口帽稍向E臂端傾斜，用濾紙從E臂端口處吸去多余液體， 使F臂端液面剛好在刻度S處，然后先蓋上E臂端的磨口帽，再蓋上F臂端的 磨口帽，取出比重管，用濾紙擦干，掛在天平上稱其質(zhì)量，為 ,叫。用上述方法 稱量充以已知密度為6的參考液體的比重管的質(zhì)量為 招：，然后稱量空比重管， 得質(zhì)量為犯j則待測液體的密度為q 啊一啊(3-100)參考液體通常用水。為使比重管容易干燥同時避免其他雜質(zhì)混入，可用純?nèi)?劑作為參考液體。圖3-31比重管構(gòu)造示意圖數(shù)據(jù)處理.將環(huán)己烷、環(huán)己酮及各溶液的有關(guān)數(shù)據(jù)列表.用式（3-100）計算各溶液的密度，做 外 圖，求出式（3-86）中的k2o.作各溶液折射率一組成圖，即n-%圖，由直線斜率根據(jù)式（3-89）求得k3。.由測得的C；、和%,根據(jù)式（3-98）和式（3-95）算出C0 （即Cair）和 Cd。.由各溶液及液體的實測電容廣,計算其各自的真實電容C,根據(jù)式（3-93） 計算各溶液及液體的介電常數(shù)&.作各溶液的圖，由直線斜率，根據(jù)式（3-85）求得ki。.由式（3-87）計算環(huán)己酮的 啃。.由式（3-90）計算環(huán)