稀溶液法测定偶极矩一、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）测定正丁醇的偶极矩二、实验原理2.1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。

由于空间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。

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，其定义是qd →μ（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；→μ是一个矢量，其方向规定为从正到负，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，趋向电场方向排列。

这时称这些分子被极化了。

极化的程度可以用摩尔转向极化度P μ来衡量。

P μ与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度T 成反比。

kT 9μπN 4P A μ=（2）式中，k 为波兹曼常数；NA 为阿弗加德罗常数；T 为热力学温度；μ为分子的永久偶极矩。

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 诱导可分为两项，即电子极化度P e 和原子极化度P a ，因此P 诱导 = P e + P a （3） 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1010H Z 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。

P = P μ+ P e +P a （4） 介电常数实际上是在107H Z 一下的频率测定的，测得的极化度为 P μ+ P e +P a 。

若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有P e 和P a 的贡献了。

所以从按介电常数计算的P 中减去红外线频率范围测得的极化，就等于P μ，在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽略，则在可见光范围：P μ =P -( P e +P a ) ≈ P - P e （5） 2.2 摩尔极化度的计算摩尔极化度P 与介电常数 ε 之间的关系式。

ρM×＋2ε－1ε=P （6）式中，M 为被测物质的摩尔质量；ρ 为该物质的密度；ε 是介电常数。

但式（6）是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。

所以它只适用于温度不大低的气相体系，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。

因此后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。

溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是式（6）中的P 。

在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。

因此，式（6）可以写成：22111,22211212121ρx M x M ×＋2ε－1εP x P x P +=+=，，， （7）式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；x 1表示溶剂的摩尔分数；x 2表示溶质的摩尔分数；1P表示溶剂的摩尔极化度；2P 表示溶质的摩尔极化度。

对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则1111011ρM ×＋2ε－1ε==P P （8）20112121212－x x P x P x P P P -==，， （9）Hedestrand 首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为2121ax εε+=， （10） 211,2bx ρρ+= （11）因此⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯+--++⨯++-+==→→∞21111121221121210202ρ2ε1εbx ρ2ax ε1εlim lim 22x M x x M x M ax P x x P()1121111211ρ2ε1ερ2εε3bM M M a -⨯+-+⨯+=（12）做ε1，2-x 2图，根据式（7）由直线测得斜率a ，截距ε1；作ρ1,2 -x 2图，并根据式 （11）由直线测得斜率b ，截距ρ1，代入式（12）得P ∞2 2.3由折光度计算电子极化度P e电子极化度可以使用摩尔折光度R 代替，即()12211211122121202ρ26ρ21lim 2++-⨯+-===→∞n cM n bM M n n R x eRP （13）根据测量的溶液折射率n 1,2作图n 1.2-x 2，由斜率求出c ，就可以按照式（13）计算出P e 。

2.4介电常数的测定介电常数是通过测定电容计算而得的。

如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容器的电容量就会增大。

如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质的电容器两板间电势差就会减少。

设C 0为极板间处于真空时的电容量，C 为充以电解质时的电容量，则C 与C 0的比值ε称为该电解质的介电常数：ε =C C 0（14）法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是由于电解质在电场中极化而引起的。

极化作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。

测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干扰性能好，精度高，但仪器价格昂贵。

本实验中采用电桥法。

实际所测得的电容C'样品包括了样品的电容C 样品和电容池的分布电容C x 两部分，即C'样品 = C 样品 + C x （15） 对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 C x 。

可以先测出以空气为介质的电容，记为C'空 ，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容C'标 。

C'空 = C 空 + C x C'标 = C 标 + C x 又因为ε标 = C 标C 0 ≈C 标C 空可得C x = C'空 －C'标－C'空ε标－1（16）C 0 =C'标－C'空ε标－1（17）计算出 C x 、C 0 之后，根据式（6）和式（15）可得样品的介电常数： ε溶 = C'溶－C x C 0（18）2.5偶极矩的计算通过上述步骤分别计算出P ∞2 、R ∞2之后，根据式（2）可得：()()TR PT R P ∞∞∞∞-=-=22A22128.0πN 49k μ （19）三、仪器与试剂3.1仪器电容测量仪器、25mL容量瓶、移液管、电子天平、阿贝折射计、滴管、烧杯、洗耳球、干燥器等3.2试剂正丁醇（分析纯），环己烷（分析纯），丙酮（分析纯）四、实验步骤4.1室温的测定25.6℃4.2 溶液配制将4个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。

在空瓶内分别加入0.5mL、1.0mL、1.5mL和2.0mL的正丁醇再称重。

然后加环己烷至刻度线，称重。

操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。

为此，溶液配好以后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器中。

实验数据见表1.4.3折射率的测定用阿贝折射仪测定环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需加样两次，读取数据，计算时取平均值。

实验数据见表2.4.4介电常数的测定本实验采用环己烷作为标准物质，其介电常数的温度公式为：ε环= 2.023-0.0016(t-20) （20）式中，t为温度，℃。

打开电容测量仪，待读数稳定后，记录空气的电容值。

分别测量纯环己烷和配制的4个样品溶液的电容，记录测量的数据。

每个样品测量两次，计算时取平均值。

测量一个样品后，需用滤纸把残留样品吸干，用吹风机吹干样品池后才能继续测量。

注意，用吹风机吹样品池的时候不能用热风，以防样品池温度放生改变带来误差。

实验数据见表4.五、数据记录与处理5.1溶液配制数据及计算摩尔分数x2表1.溶液配制数据记录5.2折射率的测定数据记录表2.折射率的测定数据记录5.3绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线表3. n1,2-x2数据记录表由工作曲线可知，斜率c为-0.0672。

5.4电容的测定数据记录以及相关常数值、电容值的计算表4.电容的测定实验数据测得空气电容C空‘：-0.11PF 温度t：25.6℃根据环己烷的介电常数温度公式（20），求得环己烷的介电常数为ε标= 2.023-0.0016(t-20)= 2.01404 本实验采用环己烷作为标准物质，其电容值为C标‘=2.38PF由式（16）求得电容池的分布电容C x = C'空－C'标－C'空ε标－1=-2.57PF由式（17）求得极板处于真空时的电容C0 = C'标－C'空ε标－1=2.46PF根据式（18）ε溶= C'溶－C xC0，求得各浓度乙酸乙酯样品的介电常数表5.各摩尔分数乙酸乙酯样品液的介电常数根据表5，绘出介电常数工作曲线ε与摩尔分数x2的工作曲线。

由工作曲线可得，斜率a=3.0565，截距ε1=2.0304.5.5绘制溶液密度ρ1,2与摩尔分数x2的工作曲线表6. 溶液密度ρ1,2与摩尔分数x2的数据记录表根据工作曲线，可得直线斜率b=0.1176，截距ρ1=0.7671.5.6摩尔极化度∞2P 的计算根据式（12），得乙酸乙酯的摩尔极化度为5395.15121)2(311211112112=-⨯+-+⨯+=∞ρεερεεbM M M a P 5.7电子极化度P e 的计算根据式（13），得电子极化度7844.20)2(621lim 122112111221212022=++-⨯+-===→∞ρρn c M n bM M n n R R P x e 5.8偶极矩μ的计算根据式（19），的乙酸乙酯的偶极矩为D T R P N T R P k A5292.2)(0128.04)(92222=-=-=∞∞∞∞πμ 六、分析与讨论稀溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩，涉及的参数很多，每一个参数的测定都必然会带入误差。

若果要保证实验最终结果的准确性，则每一步都必须按照实验章程，避免操作失误，把系统误差降至最低。

实验的第一步是溶液的配制，与常规的溶液配制不同，本次实验中，溶液的配制与溶液的称重是同时进行的。

使用吸量管吸取一定量的乙酸乙酯要保证读数准确，于容量瓶中定容时必须保证刻线与凹液面相切。

容量瓶要提前贴好标签，乙酸乙酯是挥发性的液体，往容量瓶中加液后，要立刻盖上容量瓶盖。

定容后，无需摇匀，否则后使乙酸乙酯挥发速度加快。

挥发强度大的时候可观察到分析天平示数一直下降，称量时要关好分析天平的玻璃门以降低空气流速。