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华南师范大学实验报告
学生姓名 学 号 2
专 业 化学(师范) 年级、班级 2009级化6
课程名称 结构化学 实验项目 稀溶液法测定偶极矩实验类型 验证 设计 综合 实验时间 2011年12 月2日实验指导老师 实验评分
一、实验目的
掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术
了解偶极矩与分子电性质的关系
测定正丁醇的偶极矩
二、实验原理
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
μ→?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;
→
μ是一个矢量,
其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为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,
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来衡
μ
量。P与永久偶极矩μ的平方成正比,与绝对温度T成反比。
μ
AP ?4πN μ
A
μ 9kT 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Pe和原子极化度Pa,因此
P诱导=Pe+Pa 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
Z
子极化的总和。
P=P+P+P ④
μ e a
如何从测得的摩尔极化度P中分别出P的贡献呢?介电常数实际上是在107H一下的频
μ Z
率测定的,测得的极化度为P+P+P。若把频率提高到红外范围,分子已经来不及转向,
μ e a
此时测得的极化度只有P和P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
e a
围测得的极化,就等于P,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
μ
略,则在可见光范围:
P =P-(P+P)≈P-P ⑤
μ e a e
摩尔极化度的计算
克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系
式。
P?ε-1×M
ε+2 ρ 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。因袭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:
P ?ε
-1
1,2
Mx?Mx
× 11 2 2
?xP?xP
1,2
ε +2 ρ
11 22
1,2 1,2 ⑦
式中,下标1表示溶剂;下标2表示溶质;x表示溶剂的摩尔分数;x表示溶质的摩尔
1 2
分数;
P
表示溶剂的摩尔极化度;
P
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
ε-1 M
P?P0? 1 × 1
1 1 ε+2 ρ ⑧
1 1
P-xP P
xP0
P? 1,2 1
2 x
? 1,2 x1 1
2 2 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
ε ?ε?ax
1,2 1 2 ⑩
ρ ?ρ?bx
1,2 1 2 ?
因此
?ε?ax ?1 Mx?Mx
?ε?1 M ?
?
?ε1?ax2?2?
11 2
?ρ bx
?
2?x
1
1 ? 1
ε?2 ρ
P??
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