文档介绍：实验二偶极矩的测定
【实验目的】
【实验提要】
【仪器与试剂】
【实验内容与步骤】
【数据处理】
【思考题】
【参考文献】
【实验目的】
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。
【实验提要】
(1) 偶极矩与极化度:分子结构可以近似地看成是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。
图2-2极性分子在电场作用下的定向
d
+
-
图2-1电偶极矩示意图
1912年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小,如图2-1所示,其
定义是µ=q·d (2-1)
式中,是正负电荷中心所带的电量; 为正负电荷中心之间的距离; µ 是一个向量,其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为10-10m,电荷的数量级为10-20C,所以偶极矩的数量级是10-30C·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2-2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转向来衡量。
P转向与永久偶极矩µ2 的值成正比,与绝对温度T成反比。
(2-2)
式中:为玻兹曼常数,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诱导来衡量。显然P诱导可分为二项,即电子极化度P电子和原子极化度P原子,因此P诱导=P电子+P原子。P诱导与外电场强度成正比,与温度无关。
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1010s-1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。
(2-3)
当频率增加到1012~1014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转向=0,此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度P诱导。当交变电场的频率进一步增加到>1015秒-1的高频(可见光和紫外频率) 时,极向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P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诱导,两者相减得到极性分子摩尔转向极化度P转向,然后代入(2-2)式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与介电常数ε之间的关系式:
(2-4)
式中,为被测物质的分子量; 为该物质在下的密度;ε可以通过实验测定。
但(2-4)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,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 P2∞,就可以看作为(2-4)式中的。
海台斯纳特首先利用稀释溶液的近似公式。
(2-5)
(2-6)
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:
(2-7)
上述(2-5)、(2-6)、(2-7)式中,ε溶、ρ溶是溶液的介电电常数和密度;M2、X2 是溶质的分子量和摩尔分数; ε1 、ρ1 、M1 分别是溶剂的介电常数、密度和分子量;α、β是分别与ε溶- X2 和ρ溶- X2 直线斜率有关的常数。
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P诱导= P电子+P原子。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与折光率的关系为:
(2-8)<br****惯上用摩尔折射度来表示高频区测得的极化度,而此时,P转向=0,P原子=0,则
(2-9)
在稀溶液情况下,还存在近似公式: