偶极矩测定Word文档下载推荐.docx
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而过去习惯使用的单位是德拜（D），1D=3.338×
10-30C·
m。
若将极性分子置于均匀的外电场中，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，称为极化。
极化的程度用摩尔极化度P来度量。
P是转向极化度（P转向）、电子极化度（P电子）和原子极化度（P原子）之和，
P=P转向+P电子+P原子
（2）
其中，
（3）
式中，NA为阿佛加德罗（Avogadro）常数;
K为玻耳兹曼（Boltzmann）常数;
T为热力学温度。
由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P原子，
（2）式可写成
P=P转向+P电子（4）
只要在低频电场（ν<
1010s-1）或静电场中测得P;
在ν≈1015s-1的高频电场（紫外可见光）中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P转向=0，P原子=0，所以测得的是P电子。
这样由（4）式可求得P转向，再由（3）式计算μ。
通过测定偶极矩，可以了解分子中电子云的分布和分子对称性，判断几何异构体和分子的立体结构。
2.溶液法测定偶极矩
所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定，然后外推到无限稀释。
因为在无限稀的溶液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的偶极矩可按下式计算:
（5）
式中，P∞2和R∞2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度（习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子）;
T是热力学温度。
本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液，然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P∞2;
在可见光下测定溶液的R∞2，然后由（5）式计算正丁醇的偶极矩。
（1）极化度的测定
无限稀时，溶质的摩尔极化度P∞2的公式为
（6）
式中，ε1、ρ1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量，其中密度的单位是g·
cm-3;
M2为溶质的相对分子质量;
α和β为常数，可通过稀溶液的近似公式求得:
（7）
（8）
式中，ε溶和ρ溶分别是溶液的介电常数和密度;
x2是溶质的摩尔分数。
无限稀释时，溶质的摩尔折射度R∞2的公式为
（9）
式中，n1为溶剂的折射率;
γ为常数，可由稀溶液的近似公式求得:
（10）
式中，n溶是溶液的折射率。
（2）介电常数的测定
介电常数ε可通过测量电容来求算，因为
ε=C/C0（11）
式中，C0为电容器在真空时的电容;
C为充满待测液时的电容，由于空气的电容非常接近于C0，故（11）式改写成
ε=C/C空（12）
图Ⅲ-28-1电容电桥示意图
本实验利用电桥法测定电容，其桥路为变压器比例臂电桥，如图Ⅲ-28-1所示，电桥平衡的条件是
式中，C′为电容池两极间的电容;
CS为标准差动电器的电容。
调节差动电容器，当C′=CS时，uS=uX，此时指示放大器的输出趋近于零。
CS可从刻度盘上读出，这样C′即可测得。
由于整个测试系统存在分布电容，所以实测的电容C′是样品电容C和分布电容Cd之和，即
C′=C+Cd（13）
显然，为了求C首先就要确定Cd值，方法是:
先测定无样品时空气的电空C′空，则有
C′空=C空+Cd（14）
再测定一已知介电常数（ε标）的标准物质的电容C′标，则有
C′标=C标+Cd=ε标C空+Cd（15）
由（14）和（15）式可得:
（16）
将Cd代入（13）和（14）式即可求得C溶和C空。
这样就可计算待测液的介电常数。
四、仪器与药品
1.仪器
小电容测量仪1台;
阿贝折射仪1台;
超级恒温槽两台;
电吹风1只;
比重瓶（10mL）1只;
滴瓶5只;
滴管1只。
2.药品
环己烷（分析纯）;
正丁醇摩尔分数分别为0.04，0.06，0.08，0.10和0.12的五种正丁醇—环己烷溶液。
五、实验步骤
方法一:
用小电容测量仪测偶极矩
1.折射率的测定
在（25.0±
0.1）℃条件下，用阿贝折射仪分别测定环己烷和五份溶液的折射率。
2.密度的测定
0.1）℃条件下，用比重瓶分别测定环己烷和五份溶液的密度。
3.电容的测定
（1）空气C′空的测定
图Ⅲ-28-2小电容测量仪外型图
小电容测量仪的面板图如图Ⅲ-28-2所示。
测定前，先调节恒温槽（以油为介质）温度为（25.0±
0.1）℃。
用电吹风的冷风将电容池的样品室吹干，盖上池盖。
将电容池的下插头（连接内电极）插入电容仪的m插口，电缆插头插入a插口。
测量时，将电源旋钮转向“检查”档，此时表头指针偏转应超过红线（表示电源电压正常，否则应更换新电池）。
然后将旋钮转向“测试”档，倍率旋钮置于“1”档。
调节灵敏度旋钮，使指针有一定偏转（一开始不可将灵敏度调的太高）旋转差动电容器旋钮，寻找电桥的平衡位置（即指针向左偏转到最小点）。
逐渐增大灵敏度，同时调节差动电容器旋钮和损耗旋钮，直至指针偏转到最小。
电桥平衡后读取电容值。
重复调节三次，三次电容读数的平均值为C′空。
（2）标准物质C′标的测定
用干洁滴管吸取环己烷加入电容池样品室中，溶液要盖过外电极，盖上池盖。
用测量C'
空相同的步骤测定环己烷的C′标
已知环己烷的介电常数ε标与摄氏温度t的关系，即
ε标=2.023-0.0016（t-20）（17）
（3）正丁醇—环己烷溶液C′溶的测定
将环己烷倒入回收瓶中。
用冷风将样品室吹干后再测C′空，与前面所测的C′空值相差应小于0.05pF，否则表明样品室存有残液，应继续吹干。
然后装入溶液，同法测定五份溶液的C′溶。
方法二:
用精密电容测量仪测偶极矩
同方法一。
2.电容的测定
（1）将PCM1A精密电容测量仪通电，预热20min。
（2）将电容仪与电容池连接线先接一根（只接电容仪，不接电容池），调节零电位器使数字表头指示为零。
（3）将两根连接线都与电容池接好，此时数字表头上所示值既为C′空值。
（4）用1mL移液管移取1mL环己烷加入到电容池中，盖好，数字表头上所示值既为C′标已知环己烷的介电常数与温度t的关系式为:
ε标=2.023-0.0016（t-20）
（5）将环己烷倒入回收瓶中，用冷风将样品室吹干后再测C′空值，与前面所测的C′空值应小于0.05pF，否则表明样品室有残液，应继续吹干，然后装入溶液（每次装入量严格相同，样品过多会腐蚀密封材料渗入恒温腔，实验无法正常进行），同样方法测定五份溶液的C′溶。
六、数据处理
1.将所测数据列表。
2.根据（17）式计算ε标。
3.根据（16）和（14）计算Cd和C空。
4.根据（13）和（12）式计算C溶和ε溶。
5.分别作ε溶—x2图，ρ溶—x2图和n溶—x2图，由各图的斜率求α，β，γ。
6.根据（6）和（9）式分别计P∞2和R∞2.
7.最后由（5）式求算正丁醇的μ。
七、注意事项
1.每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测C′空，与原来的C′空值相差应小于0.01PF。
严禁用热风吹样品室。
2.测C′溶时，操作应迅速，池盖要盖紧，防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽。
装样品的滴瓶也要随时盖严。
3.要反复练习差动电容器旋钮、灵敏度旋钮和损耗旋钮的配合使用和调节，在能够正确寻找电桥平衡位置后，再开始测定样品的电容。
4.注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以免损坏。
【思考问题】
1.本实验测定偶极矩时做了哪些近似处理?
2.准确测定溶质的摩尔极化度和摩尔折射度时，为何要外推到无限稀释?
3.试分析实验中误差的主要来源，如何改进?
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