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溶液法测定极性分子的偶极矩
一、实验目的
了解电介质极化与分子极化的概念，以及偶极矩与分子极化性质的关系。掌握溶液法测
定极性分子永久偶极矩的理论模型和实验技术，用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。
二、实验原理
德拜（Peter Joseph William Debye ）指出，所谓极性物质的分子尽管是电中性的，但仍然拥有未曾消失的电偶极矩，即使在没有外加电磁场时也是如此。分子偶极矩的大小可
以从介电常数的数据中获得，而对分子偶极矩的测量和研究一直是表征分子特性重要步骤。
1、偶极矩、极化强度、电极化率和相对电容率（相对介电常数）
首先定义一个电介质的偶极矩（dipole momen 1。考虑一簇聚集在一起的电荷，总的净电荷为零，这样一堆电荷的偶极矩 p是一个矢量，其各个分量可以定义为
Px ="qXi Py= ＞，qiyi Pz =，，qiZi
i i i
式中电荷qi的坐标为（Xiy^zi）。偶极矩的SI制单位是：C m。
将物质置于电场之中通常会产生两种效应：导电和极化。导电是在一个相对较长的（与
分子尺度相比）距离上输运带电粒子。极化是指在一个相对较短的（小于等于分子直径）距
离上使电荷发生相对位移，这些电荷被束缚在一个基本稳定的、非刚性的带电粒子集合体中
（比如一个中性的分子）。
一个物质的极化状态可以用矢量 P表示，称为极化强度（polarization ）。矢量P的大
小定义为电介质内的电偶极矩密度，也就是单位体积的平均电偶极矩，又称为电极化密度，
或电极化矢量。这定义所指的电偶极矩包括永久电偶极矩和感应电偶极矩。 P的国际单位
制度量单位是C m2。为P取平均的单位体积当然很小，但一定包含有足够多的分子。在
一个微小的区域内， P的值依赖于该区域内的电场强度 E。
在这里，有必要澄清一下物质内部的电场强度的概念。在真空中任意一点的电场强度 E
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的定义为：在该点放置一个电荷为 dq的无限微小的“试验电荷”，则该“试验电荷”所受
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到的力为Edq。当将这个定义应用到物质内部时，在原子尺度上会引起巨大的电场涨落。
为此，物质内部某一点的宏观电场强度 E定义为在该点邻近的小区域内原子尺度电场强度
L ( electric
的平均值，这个小区域当然比通常标准要小得多，但仍足以容纳足够多的分子。
在电磁学中，电介质响应外加电场而极化的程度可以用电极化率
susceptibility )来度量，在各向同性、线性和均匀的电介质中，电极化率支的定义为
P = ；。E
(18-1 )
式中％ =* F m,，为真空电容率(vacuumpermittivity ),或真空介电常数(vacuum dielectric constant )。
可以用电位移矢量 D来表示电场E如何影响电介质中电荷的重排(包括电荷迁移和电
偶极转向等)，d矢量的定义为
D = ；oE P
(18-2 )
由此得到电位移矢量 D正比于电场强度 E
D = ；0(1 )E = E
(18-3 )
式中e为电介质的绝对电容率( absolute permittivity ),也称为介电常数(dielectric constant )。
定义相对电容率(relative permittivity )7
也称为相对介电常数(relative dielectric constant )。据此得到电极化率与相对电容率
的关系为
D = ；0；「E
(18-4 )
在真空中，电极化率 7=0。
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由此可见，电容率和介电常数其实是一个概念。介电常数是在介质内部形成电场时遇
到的阻碍程度的度量，也就是说，介电常数度量了外电场与电介质之间的相互影响。介电常
数越大，电介质中单位电荷产生的电场（或电流）也越大，在电介质内部的电场强度会有可
观的下降。此外，我们常用明来表征电介质或绝缘材料的电性能，即在同一电容器中用
某一物质为电介质时的电容 C和真空时的电容 C0的比值
C
-r - -
；0 Co
（18-5 ）
表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。相对介电常数愈小绝缘性愈好，空气和
CS2的/值分另I」，而水的％值特别大，。介电常
数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量，一个电容板中充入介电常数为
”的物质后电容变大；.倍。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性，
例如，当一个电介质材料放在两个电荷之