文档介绍：实验40分子介电常数和偶极矩的测定预****要求分子的介电常数和偶极矩的概念。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。实验目的掌握溶液法测定分子介电常数和偶极矩的原理与方法。掌握测定液体电容的原理与技术实验原理偶极矩与摩尔极化率分子结构能够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、负电荷中心能够使重合的,也能够不重合。前者称为非极性分子,后者称为极性分子。19德拜(Debye)提出“偶极矩”μ的概念来度量分子极性的大小,如图3-30所示。其定义为μ=q∙d(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。对于同一个分子,d的大小与分子的极化率有关。偶极矩μ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),因此偶极矩的数量级是10-30C·m。在电场作用下,分子不论有无极性,都能够被电场极化。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,极化的程度能够用摩尔极化率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:P低频=P电子+P原子+P取向(3-81)在高频(υ≥1015s-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%,则P低频-P高频=P取向(3-82)由玻尔兹曼(Boltzmann)分布证明:P取向=43πLμ23kT=49πLμ2kT(3-83)式中:L——阿伏伽德罗常量(×1023mol-1);k——玻尔兹曼常量(×10-23J·K-1);T——热力学温度;μ——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,就能够根据式(3-83)求出μ。经过测定偶极矩,能够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。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P=P低频=ε-1ε+2∙Mp式中:P——气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PB∞代替,即PB∞=ε-1ε+2∙Mp(3-84)对于无限稀溶液,溶液的介电常数ε、溶液的密度ρ及溶质的摩尔分数xB的关系能够近似表示为ε=εA(1+k1xB)(3-85)ρ=ρA(1+k2xB)(3-86)于是,对于低频电场作用下的无限稀溶液,能够导出P低频=PB∞=limxB→0PB=3k1εA(εA+2)2∙MAρA+εA-1εA+2∙MB-k2MAρA(3-87)式中:εA、εA、MA——溶剂的介电常数、密度和摩尔质量;MB——溶质的摩尔质量;k1、k2——待定常数。摩尔极化率与折射率在高频词电场(υ≥1015s-1)下,透明物质的介电常数ε与其折射率n的关系为ε=n2。于是,依据式(3-84)有P高频=RB=n2-1n2+2∙Mρ(3-88)稀溶液的折射率n与溶质的摩尔分数xB的关系为n=nA(1+k3xB)(3-89)于是能够导出P高频=R