文档介绍：实验十五偶极矩的测定
实验十五 偶极矩的测定
1)用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。
2)了解偶极矩与分子电性质的关系。
3)掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。
(1)偶极矩与极化度 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是重合的，也可以不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。
1912年德拜提出“偶极矩”µ的概念来度量分子极性的大小，如图15-1所示，其定义是(
()
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;是一个向量，其方
-20-10向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为10m，电荷的数量级为10C，所
-30以偶极矩的数量级是10C?m。
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，如图15-2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P来衡量。 转向
2P与永久偶极矩µ的值成正比，与绝对温度T成反比: 转向
() 式中，K为玻兹曼常数;N为阿伏加德罗常数。
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变，这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度P来衡量。显然诱导P可分为两项，即电子极化度P和原子极化度P，因此 诱导电子原子
P与外电场强度成正比，与温度无关。 诱导
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10-110s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:
()
1214-1 当频率增加到10,10s的中频(红外频率)时，电子的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场方向定向，故P=0，此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度P。 转向诱导15-1当交变电场的频率进一步增加到>10s的高频(可见光和紫外频率)时，极性分子的转向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化。此时极性分子的摩尔极化度等于电子极化度P。 电子
因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度P，两者相减得到极性分子摩尔转向极化度P，然后代入式()诱导转向
就可算出极性分子的永久偶极矩µ来。
(2)极化度的测定 克劳修斯、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ε之间的关系式:
() 式中，M为被测物质的分子量;ρ为该物质的密度;ε可以通过实验测定。
但式()是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的，所以它只适用于温度不太低的气相体系;但对某些物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来提出了用一种溶液法来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质分子所处的状
?态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度P，就可以看作式(12-4)中的P。 2
海德斯特兰首先利用稀溶液的近似公式:
()
() 再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度的公式:
() 上述式(15-5)、(15-6)、(15-7)中，ε、ρ分别是溶液的介电常数和密度;M、x分别溶溶22是溶质的分子量和摩尔分数;ε、ρ、M分别是溶剂的介电常数、密度和分子量;α、β111
是分别与ε,x和ρ,x直线斜率有关的常数。 溶2溶2
上面已经提到，在红外频率的电场下，可以测得极性分子摩尔诱导极化度
但是在实验上由于条件的限制，很难做到这一点。所以一般总是在高频电场下测定极性分子的电子极化度P。 电子
根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常数ε与折光率n的关系为:
() <br****惯上用摩尔折射度R来表示高频区测得的极化度，而此时，P=0，P=0，则 2转向原子
()
在稀溶液情况下，还存在近似公式:
()
同样，从式()可以推导出无限稀释时，溶质的摩尔折射度的公式:
() 式(15-10)、(15-11)中，n是溶液