稀溶液法测定偶极矩、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，其定义是卩qd （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；卩是一个矢量，其方向规定为从正到负，的数量级是10-3°Cm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卩来衡量。

R与永久偶极矩卩的平方成正比，与绝对温度T成反比。

(2)(6)4 nN A A 巳-9kF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；A 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。

用摩尔诱导摩尔极化度P 与介电常数c 之间的关系式。

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 和原子极化度因此诱导=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101O H 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。

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

若把频率提高到红外围，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 中减去红外线频率围测得的极化，就等于P A，在实验上，若把频率提高到可见光围，则原子极化也可以忽略，则在可见光 围:A=P -( P e +P a ) e P - P(5)2.2 摩尔极化度的计算(11)式中，M 为被测物质的摩尔质量；p 为该物质的密度；& 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:勺 2—1 ▽ Mi X i M 2X 2X"q,2+2 p ,2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；P 表示溶剂的摩尔极化度；巳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(10)p ,2p bX2因此X [P 〔 X 2 P 2P1,2 0P P l 叼―]X M i 勺+2 pPR,2— X i P2 X2P，2X i卩1X 2(8)(9)(12)X iq aX 2 2 p i bx 2 q 2 p ilim 巳 limX 2 0X 2 0x3a M 1 s, 1 M 2 bM 1q 2 p q1 2p做q 1, 2-X 2图，根据式（7）由直线测得斜率a ,截距£1；作p 1,2 -X 2图,并根据式（11）由直线测得斜率b ,截距p 1,代入式（12）得P 22.3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P eR2 X 2叫 R22n 11 M2 bM 1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 e2.4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 °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q 称为该电解质的介电常数：(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rm2pq ax 21 M N M 2x2 P226n 1 M 1c(13)(1(19)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 G 两部分，即对于给定的电容池，必须先测出其分布电容C x 。

可以先测出以空气为介质C'样品=C 样品+ C x(15)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。

又因为&标=可得C x = C'C'标—C'空&标一 1(16)C'标—C'空= &标一1(17)计算出C 0 之后，根据式（6）和式（15）可得样品的介电常数:2.5偶极矩的计算 C'溶 一 G £溶二—Cr~(18)通过上述步骤分别计算出P 2、9k P 2R 2 T4 nNR 2之后，根据式（2）可得:0.128.. P 2R 2 T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 C4.2溶液配制将4个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。

在空瓶分别加入0.5mL、I.OmL、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：& 环=2.023-0.0016（t-20）（20）式中，t为温度，°C。

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X25.2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n 1,2和溶液摩尔分数X2的工作曲线i,22由工作曲线可知，斜率c为-0.06725.4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 C根据环己烷的介电常数温度公式（）,求得环己烷的介电常数为& 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=2.38PFC'标一C'空由式（16）求得电容池的分布电容G = C'空一=-2.57PF£标一|C'标一C'空由式（17）求得极板处于真空时的电容O =—标匚=2.46PF£标一|C'溶一G根据式（18）£溶= 亍，求得各浓度乙酸乙酯样品的介电常数根据表5,绘出介电常数工作曲线 &与摩尔分数X 2的工作曲线图2.E -X 2工作曲线y = 3.0565 x + 2,0304R 2 = 0.9998由工作曲线可得，斜率 a=3.0565，截距£ 1=2.0304.5.5绘制溶液密度p 1,2与摩尔分数X 2的工作曲线1,22样品加入量密度 p (g/mL)X 2 0.5ml 0.7694 0.0222 1.0ml 0.7731 0.0444 1.5ml 0.7746 0.0668 2.0ml0.77760.0889摩尔分議勒2.3002.2OU225。

?.1002.0500,00000,0200 0,D4OO 0.05000,0800 0,100U图3.P 1F 2-X 2工作曲线根据工作曲线，可得直线斜率 b=0.1176，截距p 1=0.7671.根据式（13）,得电子极化度根据式（19），的乙酸乙酯的偶极矩为9k (p 2R 2)T0.0128 .(p 2 R 2 )T 2.5292D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Q 0000 5.6 摩尔极化度P 2的计算5.7 根据式（12）, 得乙酸乙酯的摩尔极化度为P 23a 1 (1 2)21 M2 bM 1151.5395电子极化度R 的计算5.8 P ， R 2lim R 2x2 0偶极矩卩的计算bM 126n 1 M 1c(n ； 2)2 120.78444 N AQ773D 0.7720□ .7710 0.7700□ 778D07770 0.7760□ .774D0.0200 0.0400 0.0&00摩尔分数片0.080U 0.1000 y^0 1176x + 076710.9760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。