實(shí)驗(yàn)40-分子介電常數(shù)和偶極矩的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)40分子介電常數(shù)和偶極矩的測(cè)定預(yù)習(xí)要求分子的介電常數(shù)和偶極矩的概念。小電容測(cè)量?jī)x，阿貝折射儀和比重瓶的使用方法及注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆杖芤悍y(cè)定分子介電常數(shù)和偶極矩的原理與方法。掌握測(cè)定液體電容的原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)原理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”μ的概念來(lái)度量分子極性的大小，如圖3-30所示。其定義為μ=q?d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(duì)于同一個(gè)分子，d的大小與分子的極化率有關(guān)。偶極矩μ是一個(gè)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(jí)為10-10m，電荷的數(shù)量級(jí)為10-20C（庫(kù)倫），所以偶極矩的數(shù)量級(jí)是10-30C·m。在電場(chǎng)作用下，分子不管有無(wú)極性，都可以被電場(chǎng)極化。分子在電場(chǎng)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(chǎng)或低頻電場(chǎng)中，摩爾極化率P低頻等于三項(xiàng)之和：P低頻=P在高頻（υ≥1015s-1）電場(chǎng)中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)跟不上電場(chǎng)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%，則P低頻-P由玻爾茲曼（Boltzmann）分布證明：P取向=4式中：L——阿伏伽德羅常量（6.022×1023mol-1）；k——玻爾茲曼常量（1.3806×10-23J·K-1）；T——熱力學(xué)溫度；μ——分子的永久偶極矩。因此，只要測(cè)得在低頻及高頻電場(chǎng)中的摩爾極化率，就可以根據(jù)式（3-83）求出μ。通過(guò)測(cè)定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對(duì)稱性，判斷幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)。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(duì)于分子間不存在相互極化的系統(tǒng)，有P式中：P——?dú)鈶B(tài)物質(zhì)分子在靜電場(chǎng)或低頻電場(chǎng)作用下的摩爾極化率。而實(shí)際上，為避免物質(zhì)在氣態(tài)時(shí)測(cè)量的困難，常將極性溶質(zhì)溶解在非極性溶劑中配成無(wú)限稀的溶液。在無(wú)限稀的溶液中，極性溶質(zhì)的摩爾極化率P用PBPB∞=對(duì)于無(wú)限稀溶液，溶液的介電常數(shù)ε、溶液的密度ρ及溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)xB的關(guān)系可以近似表示ε=εA(1+ρ=ρA圖3-31比重管構(gòu)造示意圖數(shù)據(jù)處理將環(huán)己烷、環(huán)己酮及各溶液的有關(guān)數(shù)據(jù)列表用式（3-100）計(jì)算各溶液的密度，做ρ-xB圖，求出式（3-86）中的k2作各溶液折射率—組成圖，即n-xB圖，由直線斜率根據(jù)式（3-89）求得k3由測(cè)得的Cs'、Cair'和εs，根據(jù)式（3-98）和式（3-95）算出C0（即C由各溶液及液體的實(shí)測(cè)電容C'，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)ε作各溶液的ε-xB圖，由直線斜率，根據(jù)式（3-85）求得k1由式（3-87）計(jì)算環(huán)己酮的PB由式（3-90）計(jì)算環(huán)己酮的RB由式（3-92）計(jì)算環(huán)己酮的偶極矩μ。思考題為什么測(cè)定極性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率時(shí)要把它溶于非極性溶劑中而且配成稀溶液？測(cè)定電容時(shí)為什么要用已知介電