溶液法測定極性分子的偶極矩I.目的與要求用溶液法測定乙酸乙酯的偶極矩了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關系掌握溶液法測定偶極矩的實驗技術II.基本原理一、偶極矩與極化度分子結(jié)構可以近似地被石成是由電子。和對于骨架（原子核及內(nèi)層電子）所構成的。由于分子空間構型的不同，其正、負電荷中心可能是重合的，也可能不重合，前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。圖1電偶極矩示意圖1912年，德拜（Debye）提出“偶極矩”μ的概念來度量分子極性的大小，如圖1所示，其定義是（1）式中q是正、負電荷中心所帶的電荷量，d為正、負電荷中心之間的距離，μ是一個向量，其方向規(guī)定從正到負。因分子中原子間距離的數(shù)量級為m，電荷的數(shù)量級為C，所以偶極矩的數(shù)量級是C·m。通過偶極矩的測定可以了解分子結(jié)構中有關電子云的分布和分子的對稱性等情況，還可以用來判別幾何異構體和分子的立體結(jié)構等。極性分子具有永久偶極矩，但由于分子的熱運動，偶極矩指向各個方向的機會相同，所以偶極矩的統(tǒng)計值等于零。若將極性分子置于均勻的電場中，則偶極矩在電場的作用下會趨向電場方向排列。這時我們稱這些分子被極化了，極化的程度可用摩爾轉(zhuǎn)向極化度來衡量。與永久偶極矩平方成正比，與熱力學溫度T成反比（2）式中k為玻耳茲曼常數(shù)，L為阿伏加德羅常數(shù)。在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子都會發(fā)生電子云對分子骨架的相對移動，分子骨架也會發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為誘導極化或變形極化，用摩爾誘導極化度來衡量。顯然，可分為二項，即電子極化度，和原子極化度，因此=+。與外電場強度成正比，與溫度無關。如果外電場是交變電場，極性分子的極化情況則與交變電場的頻率有關。當處于頻率小于s-1的低頻電場或靜電場中，極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度P是轉(zhuǎn)向極化、電子極化和原子極化的總和=++（3）當頻率增加到～s-1的中頻（紅外頻率）時，電場的交變周期小于分子偶極矩的弛豫時間，極性分子的轉(zhuǎn)向運動跟不上電場的變化，即極性分子來不及沿電場定向，故=0。此時極性分子的摩爾極化度等于摩爾誘導極化度。當交變電場的頻率進一步增加到大于s-1的高頻（可見光和紫外頻率）時，極性分子的轉(zhuǎn)向運動和分子骨架變形都跟不上電場的變化，此時極性分子的摩爾極化度等于電子極化度。因此，原則上只要在低頻電場下測得極性分子的摩爾極化度P，在紅外頻率下測得極性分子的摩爾誘導極化度，兩者相減得到極性分子的摩爾轉(zhuǎn)向極化度，然后代人（2）式就可算出極性分子的永久偶極矩μ來。二、極化度的測定克勞修斯、莫索蒂和德拜（Clausius－Mosotti－Debye）從電磁理論得到了摩爾極化度P與介電常數(shù)ε之間的關系式（4）式中，M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，ρ是該物質(zhì)的密度，ε可以通過實驗測定。但（4）式是假定分子與分子間無相互作用而推導得到的，所以它只適用于溫度不太低的氣相體系。然而測定氣相的介電常數(shù)和密度，在實驗上困難較大，某些物質(zhì)甚至根本無法使其處于穩(wěn)定的氣相狀態(tài)。因此后來提出了一種溶液法來解決這一困難。溶液法的基本想法是，在無限稀釋的非極性溶劑的溶液中，溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)和氣相時相近，于是無限稀釋溶液中溶質(zhì)的摩爾極化度就可以看作為（4）式中的P。海德斯特蘭（Hedestran）首先利用稀溶液的近似公式（5）（6）再根據(jù)溶液的加和性，推導出無限稀釋時溶質(zhì)摩爾極化度的公式用洗耳球?qū)㈦娙莩貎蓸O間的間隙吹干，旋上金屬蓋。開通電源，校零后將電容池與小電容測量儀相連接，接通恒溫浴導油管，使電容他恒溫在（2.0士0.1）℃。待到顯示電容不再上升（如果數(shù)值不穩(wěn)定，讀取顯示的最大值），讀取數(shù)值。重復測量三次，取三次測量的平均值為。用液管將純四氯化碳從金屬蓋的中間口加人到電容池中去，使液面超過二電極，并蓋上塑料塞，以防液體揮發(fā)。恒溫數(shù)分鐘后，同上法測量電容值。然后打開金屬蓋，傾去二極間的四氯化碳（倒在回收瓶中），重新裝樣再次測量電容值。取兩次測量的平均值為。2．溶液電容的測定：測定方法與純四氯化碳的測量相同。但在進行測定前，為了證實電容池電極間的殘余液確已除凈，可先測量以空氣為介質(zhì)時的電容值。如電容值偏高，則應用丙酮溶液潤洗，再以洗耳球電容池吹干，方可加入新的溶液。每個溶液均應重復測定兩次，其數(shù)據(jù)的差值應小于0.05pF，否則要繼續(xù)復測。所測電容讀數(shù)取平均值，減去Cd，即為溶液的電容值C溶。由于溶液易揮發(fā)而造成濃度改變，故加樣時動作要迅速，加樣后塑料塞要塞緊。V．數(shù)據(jù)處理一、按溶液配制的實測質(zhì)量，計算四個溶液的實際濃度。二、計算C。、Cd和各溶液的C溶值，求出各溶液的介電常數(shù)ε溶；作ε溶－圖，由直線斜率求算α值。三、計算純四氯化碳及各溶液的密度，作ρ－圖，由直線斜率求算β值。四、作n溶－圖，由直線斜率計算γ值。五、將ρ2、ε1、α和β值代人（7）式計算。六、將ρ1、n1、β和γ值代人（11）式計算。七、將、值代人式（13）即可計算乙酸乙酯分子的偶極矩μ值。八、文獻值Ⅵ.思考一、分析本實驗誤差的主要來源，如何改進？二、試說明溶液法測量極性分子永久偶極矩的要點，有何基本假定，推導公式時作了哪些近似？三、如何利用溶液法測量偶極矩的“溶劑效應”來研究極性溶質(zhì)分子與非極性溶劑的相互作用？測定電容方法如下：（１）準備：打開小電容測試儀前面板的電源開關，預熱５分鐘。電容池使用前，應打開加料蓋，用丙酮對內(nèi)外電極間隙進行數(shù)次沖洗，并用電吹風吹干。用配套測試線將數(shù)字小電容測試儀的“電容池座”C2插座與電容池的內(nèi)電極插座相連；將另一根測試線的一端插入小電容測試儀的“電容池”C1插座，插入后順時針旋轉(zhuǎn)一下以防脫落，另一端懸空。待顯示穩(wěn)定后，按一下采零鍵，顯示器顯示“00.00”。（2）空氣介質(zhì)電容的測量：將那根懸空測試線的懸空端插入電容池“外電極”插座，插入后順時針旋轉(zhuǎn)一下以防脫落。此時顯示器顯示值為空氣介質(zhì)的電容（C空）與系統(tǒng)分布電容（C分）之和。（3）樣品介質(zhì)電容的測量：逆時針旋轉(zhuǎn)，拔出電容池“外電極”插座一端的測試線。打開電容池加料口蓋子，用滴管注入待測樣品。樣品應淹沒內(nèi)外電極，不超過內(nèi)塑料層上端為佳，否則影響測量結(jié)果。蓋緊加料口蓋子。待顯示穩(wěn)定后，采零。將拔下的測試線的一端插入電容池“外電極”插座，順時針旋轉(zhuǎn)一下掛進去以防脫落。此時顯示器顯示的值即為實驗液體介質(zhì)（C液）與系統(tǒng)分布電容（C分）之和。每次換樣品時，都要擰開電容池蓋，用吹風機吹干。為保證下一次測量的準確性，應先測空氣及系統(tǒng)分布電容，如大于先前測量，則電容池沒有吹干，需重新吹干。測試完畢，根據(jù)公式計算介電常數(shù)。注意事項：1，在配溶液時