實(shí)驗(yàn)40-分子介電常數(shù)和偶極矩的測定

1、實(shí)驗(yàn)40分子介電常數(shù)和偶極矩的測定預(yù)習(xí)要求1. 分子的介電常數(shù)和偶極矩的概念。2小電容測量儀，阿貝折射儀和比重瓶的使用方法及考前須知。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握溶液法測定分子介電常數(shù)和偶極矩的原理與方法。2. 掌握測定液體電容的原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)原理1偶極矩與摩爾極化率分子結(jié)構(gòu)可以近似地看作由電子云和分子骨架 原子核及內(nèi)層電子所構(gòu)成 由于其空間構(gòu)型的不同，其正、負(fù)電荷中心可以使重合的，也可以不重合。前者 稱為非極性分子，后者稱為極性分子。1912年德拜Debye提出 偶極矩卩的概念來度量分子極性的大小，如圖 3-30所示。其定義為3-80式中：q正負(fù)電荷中心所帶的電荷量;d正、負(fù)電荷中心之間的距離。對于

2、同一個分子，d的大小與分子的極化率有關(guān)。偶極矩 卩是一個矢量，其 方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間距離的數(shù)量級為 10-10 m,電荷的數(shù)量級 為10-20 C庫倫，所以偶極矩的數(shù)量級是10-30 C m。在電場作用下，分子不管有無極性，都可以被電場極化。分子在電場作用下 的極化可分為三種：電子極化、原子極化和取向極化，分別用 P電子、P原子和P取 向表示，極化的程度可以用摩爾極化率 P表示。在靜電場或低頻電場中，摩爾極化率 P低頻等于三項(xiàng)之和:3-81P P P P 皿刖="tfaN + " GN 4在高頻u> 105 S-1電場中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向運(yùn)動跟不上電

3、場頻率變化,P取向=0,而原子極化率P原子僅為電子極化率P電子的5 %10 %，那么由玻爾茲曼Boltzmann分布證明:3-83式中：Lx 1023 mol-1；kx 10-23 J - K-1;T熱力學(xué)溫度；卩一一分子的永久偶極矩。因此，只要測得在低頻及高頻電場中的摩爾極化率，就可以根據(jù)式3-83求出w通過測定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對稱性，判斷幾 何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)2. 摩爾極化率與介電常數(shù)依據(jù)克勞修斯-莫索第-德拜Clausius-Mosotti-Debye方程，對于分子間不 存在相互極化的系統(tǒng)，有f-1 Mjy p -f + 2 p式中：P氣態(tài)物質(zhì)分子在靜電場或

4、低頻電場作用下的摩爾極化率。而實(shí)際上，為防止物質(zhì)在氣態(tài)時測量的困難，常將極性溶質(zhì)溶解在非極性溶劑中配成無限稀的溶液。在無限稀的溶液中，極性溶質(zhì)的摩爾極化率P用 代 替，即"二 4 p 3-84對于無限稀溶液，溶液的介電常數(shù)&溶液的密度p及溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系可以近似表示為3-85于是，對于低頻電場作用下的無限稀溶液，可以導(dǎo)出3-863-87式中:溶劑的介電常數(shù)、密度和摩爾質(zhì)量待定常數(shù)。3. 摩爾極化率與折射率在高頻詞電場u> 15)s-1丨下，透明物質(zhì)的介電常數(shù)系為£ =召。于是，依據(jù)式3-84有&與其折射率n的關(guān)3-88稀溶液的折射率n與溶質(zhì)的摩爾分

5、數(shù)的關(guān)系為3-89于是可以導(dǎo)出以上三式中：'和無限稀溶液中溶質(zhì)的摩爾折射3-90勺一一待定常數(shù)。4、偶極矩卩的計(jì)算結(jié)合式3-82、式3-83、式3-87和式3-90可以導(dǎo)出偶極矩的計(jì) 算公式如下：:單位：d，德拜(3-91)：廠八/疔瓷円單位：c . m,庫倫米(3-92)由此可見，只要通過介電常數(shù)、密度、折射率等物質(zhì)宏觀性質(zhì)的測定即可求 pt*尺 S得微觀性質(zhì)摩爾極化率 日和摩爾折射率0以及分子偶極矩。5. 介電常數(shù)的測定物質(zhì)B的介電常數(shù)£定義為電容器中用該物質(zhì)為電解質(zhì)時的電容 C和同一電容器中為真空時的電容 Co之比值：£ 二 g(3-93)當(dāng)用電容測定儀測量某

6、物質(zhì)的電容時，實(shí)測電容物質(zhì) B的電容Cb和儀器分布電容Cd之和，故需要用介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)把儀器的分布電容測出來。方法 是，先將介電常數(shù)為 s的物質(zhì)充入電容器中，實(shí)測電容岡應(yīng)為 和 之和, 即(3-94)近G +叼同理，當(dāng)電容器中只有空氣時的實(shí)測電容為(3-95)式3-94一式3-95得(3-96)取空氣的電容近似等于真空的電容Cair&，由式3-93得(3-97)將式3-96和3-97聯(lián)立解得Cair:再將解得的Cair代入式(3-98)有了 Cd之后，再將待測溶液或待測液體充入電容器，測得總電容(3-99)C,其真實(shí)電容將C代入式3-93計(jì)算其介電常數(shù) 儀器和藥品儀器：精密電容測量

7、儀，阿貝折射儀，電容池，比重管，油浴超級恒溫槽，枯燥 器，容量瓶。藥品：正己烷AR，環(huán)己酮AR，苯AR，經(jīng)枯燥。實(shí)驗(yàn)步驟1溶液的配制用環(huán)己烷作為溶劑，配制環(huán)己酮的摩爾分?jǐn)?shù)分別為 0.01、0.02、0.03、0.06和0.09 的溶液各25 mL，配好后立即轉(zhuǎn)入枯燥器內(nèi)。2. 折射率n的測定用阿貝折射儀測定25 oC下溶劑環(huán)己烷及各溶液的折射率，每個試樣測3次，取平均值。3. 介電常數(shù)的測定以苯為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，用精密電容測量儀測量 25 °C下苯、空氣、環(huán)己酮及各溶液的電容。苯的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：fs = 2,283 - (Jr0U19(i £： - 20)測得每一個試

8、樣的冋之后都需要吹干電容池，重測 ，每個 都要重復(fù)讀數(shù)3次,每兩次之間的讀數(shù)誤差不超過0.05 pF皮法4. 密度的測定如果液體有揮發(fā)性，要用比重管測其密度。比重管構(gòu)造如圖3-31所示。E、F兩臂端各有一個磨口帽，F(xiàn)臂上有一刻度線S。使用時，摘下二磨口帽，將比重管 倒置，使E臂端插入待測液體中，用洗耳球從 F臂端慢慢將液體吸入比重管， 直至液體超過S刻度線，比重管內(nèi)沒有氣泡為止。蓋上磨口帽置于恒溫槽中恒溫 10 min,然后摘下磨口帽稍向E臂端傾斜，用濾紙從E臂端口處吸去多余液體， 使F臂端液面剛好在刻度S處，然后先蓋上E臂端的磨口帽，再蓋上F臂端的 磨口帽，取出比重管，用濾紙擦干，掛在天平上

9、稱其質(zhì)量，為。用上述方法稱量充以密度為p的參考液體的比重管的質(zhì)量為匹I,然后稱量空比重管，得質(zhì)量為，那么待測液體的密度為(3-100)參考液體通常用水。為使比重管容易枯燥同時防止其他雜質(zhì)混入，可用純?nèi)軇┳鳛閰⒖家后w圖3-31比重管構(gòu)造示意圖數(shù)據(jù)處理1將環(huán)己烷、環(huán)己酮及各溶液的有關(guān)數(shù)據(jù)列表2.用式3-100計(jì)算各溶液的密度，做 p釗圖，求出式3-86中的k203作各溶液折射率一組成圖，即n-圖，由直線斜率根據(jù)式3-89求得k3o4. 由測得的匚、匸刖和色，根據(jù)式3-98和式3-95算出Co即Cair和 Cd。5. 由各溶液及液體的實(shí)測電容，計(jì)算其各自的真實(shí)電容C,根據(jù)式3-93計(jì)算各溶液及液體的介電常數(shù)&6. 作各溶液的&圖，由直線斜率，根據(jù)式3-85求得ki o7. 由式3-87計(jì)算環(huán)己酮的門，8. 由式3-90計(jì)算環(huán)己酮的 日。9. 由式3-92計(jì)算環(huán)