文档介绍：华南师范大学实验报告
课程名称:结构实验实验项目:稀溶液法测定偶极矩
实验类型:□验证□设计□综合实验时间:2009年11月20日
一、实验名称:稀溶液法测定偶极矩
二、实验目的
(1) 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。
(2) 了解偶极矩与分子电性质的关系。
(3) 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。
三、实验原理
(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1电偶极矩示意图图2极性分子在电场作用下的定向
1912年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小,如图1所示,其定义是(1)
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。
与永久偶极矩的值成正比,与绝对温度T成反比。
(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。
(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=0,此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度。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等于电子极化度。
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,在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度,两者相减得到极性分子摩尔转向极化度,然后代入(2)式就可算出极性分子的永久偶极矩来。
(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:
(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(1)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