偶极矩的测定实验-大万科教
实验十八 偶极矩的测定
一．目的要求
1、测定乙酸乙酯的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。
2、掌握测定偶极矩的原理和方法。
二．基本原理
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。
1912年德拜提出“偶极矩”
的概念来度量分子极性的大小，如图Ⅱ-27-1所示，定义是
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Ⅱ-27-2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。
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。显然可分为二项，即电子极化度和原子极化度，因此与外电场强度成正比，与温度无关。
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之间的关系式：
式中，M为被测物质的分子量；为该物质在时的密度；可以通过实验测定。但由于这个公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体以及在无限稀释的非极性溶剂的溶液中的溶质分子。
设为溶质的质量分数，＝溶质质量/溶液质量，在稀溶液中，溶液的介电常数及折射率的平方的有线性关系：
式中，和分别为溶剂的介电常数和折射率。
为了省去溶液密度的测量，经Guggenheim和Smith的简化与改进，得到如下公式：
式中，的溶液的密度。
3、介电常数的测定
介电常数是通过测定电容器在不同电介质中的电容量，设为电容器极板间处于真空时的电容量，C为充以电介质时的电容量，则C与之比值称为该电介质的介电常数：
通常空气介电常数接近于1，故介电常数可近似地写为：
式中，为电容器以空气为介质时的电容，本实验用电桥法测电容，所用仪器为数字小电容测试仪。
可将待测样品放在电容池的样品池中测量。但小电容仪测量电容时，所测之实际上包括了样品电容和电容池的分布电容。即：
故应从中扣除。测出的方法如下：用一已知介电常数的标准物质测得电容为，再测电容器中不放样品时的电容，近似取，可以导出：
若测得样品的电容C，待测样品的真实电容为：
三．仪器和试剂
阿贝折光仪 1台
容量瓶(10mL) 5个
数字小电容测试仪 1台
移液管 1只
四氯化碳(分析纯)
乙酸乙酯(分析纯)
电吹风 1只
电容池 1只
四．实验步骤
1、绘制标准曲线
准确配制含乙酸乙酯的四氯化碳溶液，其质量分数为0.01～0.05。
溶液（mL） | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 5.0 |
乙酸乙酯（mL） | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 |
四氯化碳（mL） | 5 | 4.9 | 4.8 | 4.7 | 4.6 | 4.5 |
溶液质量分数W | ||||||
| ||||||
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计算溶液的质量分数W，(乙酸乙酯密度，四氯化碳密度，)
在阿贝折光仪上测定上述溶液的折光率n，测定两次，每次读取两个数据，四个平行数据之间差值不超过0.0003。
绘制n2-W标准曲线，线性拟合，写出拟合公式合相关系数，其中斜率即。
2、测定样品的折光率
在阿贝折光仪上测定上述溶液的折光率n，方法同前。由标准曲线拟合公式计算样品的质量分数W。
3、测定样品的电容
（1）打开“数字小电容测试仪”电源开关，预热10min。“电容池”插座与电容池的“外电极”连接(不测量时，外电极一端脱开)，“电容池”插座与电容池的“内电极”连接。
（2）采零。按一下“采零”键，以消除系统的零位漂移，显示器显示“00.00”。
（3）测量空气介质的电容。连接“外电极”插座，稳定片刻，读取电容值。拔下“外电极”插座，回零，再连接“外电极”插座，读取电容值。三次电容读数的平均值即为。三次电容读数的值误差不超过0.05PF。
（4）测定标准物质的电容。本实验用环己烷作介电常数的标准物质，与摄氏温度t的关系为：。
用电吹风将电容池的样品室吹干，将环己烷加入样品室，使液面浸没内、外两电极，但不接触盖子，盖上盖子，防止挥发，连接“外电极”插座，读取电容值。重新装样再次测量。三次读数的平均值即为。
（5）测量样品的电容。用滴管吸尽样品室值的溶液(溶液放入对应的回收瓶)，用吹风机吹干，然后再测，与前面所测值相差不超过0.05PF。用上述方法测量样品的电容，每个样品测三次，取其平均值，即为。
4、实验完毕，盖上电容池样品室的盖子，拔下外电极插座，关闭仪器(阿贝折光仪和数字小电容测试仪)电源开关，拔下电源插头。
标准溶液倒入对应的标准溶液回收瓶。收拾、清洁实验台。
五．数据处理
1、绘制n2-W标准曲线，线性拟合，写出拟合公式合相关系数，其中斜率即。
2、由样品的折光率和标准曲线拟合公式计算样品的质量分数W。
3、计算电容和。
计算室温时标准物质环己烷的介电常数。
样品的电容
5、作图，线性拟合，写出拟合公式和相关系数，其中截距为，斜率为。
6、利用如下Guggenheim和Smith的简化与改进，得到如下公式：
静电单位·厘米
(1×10−18静电单位·厘米=1Debye)，，，，，(乙酸乙酯偶极矩的文献值为1.78D)。
六．思考题
1、实验中主要误差来源是什么？如何减少这些误差？
2、测量折光率和电容是要注意那些问题？
3、属于什么点群的分子有偶极矩？
七．注意事项
（1）本实验,防止溶液中含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液应透明不发生浑浊。
（2）首先拔下“外电极”插座，再进行采零操作。
（3）换溶液时，吹干样品室。
（4）不测量时，拔下“外电极”插座。
（5）电容池中各部件的连接性应注意绝缘。
（6）测定电容时，应防止溶液的挥发及吸收空气中极性较大的水汽，影响测定值。