實驗40-分子介電常數(shù)和偶極矩的測定

實驗40分子介電常數(shù)和偶極矩的測定預(yù)習(xí)要求分子的介電常數(shù)和偶極矩的概念。小電容測量儀，阿貝折射儀和比重瓶的使用方法及注意事項。實驗?zāi)康恼莆杖芤悍y定分子介電常數(shù)和偶極矩的原理與方法。掌握測定液體電容的原理與技術(shù)實驗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）電荷中心所帶的電荷量；d——正、負電荷中心之間的距離。對于同一個分子，d的大小與分子的極化率有關(guān)。偶極矩μ是一個矢量，其方向規(guī)定為從正到負。因分子中原子間距離的數(shù)量級為10-10m，電荷的數(shù)量級為10-20C（庫倫），所以偶極矩的數(shù)量級是10-30C·m。在電場作用下，分子不管有無極性，都可以被電場極化。分子在電場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。在靜電場或低頻電場中，摩爾極化率P低頻等于三項之和：P低頻=P在高頻（υ≥1015s-1）電場中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向運動跟不上電場頻率變化，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，只要測得在低頻及高頻電場中的摩爾極化率，就可以根據(jù)式（3-83）求出μ。通過測定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對稱性，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，對于分子間不存在相互極化的系統(tǒng)，有P式中：P——氣態(tài)物質(zhì)分子在靜電場或低頻電場作用下的摩爾極化率。而實際上，為避免物質(zhì)在氣態(tài)時測量的困難，常將極性溶質(zhì)溶解在非極性溶劑中配成無限稀的溶液。在無限稀的溶液中，極性溶質(zhì)的摩爾極化率P用PBPB∞=對于無限稀溶液，溶液的介電常數(shù)ε、溶液的密度ρ及溶質(zhì)的摩爾分數(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測電容C'，計算其各自的真實電容C，根據(jù)式（3-93）計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）計算環(huán)己酮的PB由式（3-90）計算環(huán)己酮的RB由式（3-92）計算環(huán)己酮的偶極矩μ。思考題為什么測定極性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率時要把它溶于非極性溶劑中而且配成稀溶液？測定電容時為什么要用已知介電