PB11206247朱哲圣实验十二实验报告.doc

物理化学基础实验（上） 实验十二：偶极距的测定 The determination of dipole moment 化学与材料科学学院材料科学与工程系 Department of Materials Science Engineering， School of Chemistry and Materials Science 朱哲圣 Zhesheng Zhu Pzzszzs@mail.ustc.edu.cn 二零一三年 十一月二日 摘要：本实验通过测定正丁醇的环己烷溶液折射率的测定可以计算出溶液的偶极距，根据介电常数和密度随浓度的变化，利用外推法确定线性关系系数，从而求得正丁醇的固有偶极矩大小。 Abstract: In this experiment，we determine the refractive indexes, density of 1-butyl alcohol and dielectric constants and cyclohexane solution under different concentrations.The data are processed to resolve the linear relation constant by using extrepolation, and then we can get the intrinsic dipole moment of 1-butyl alcohol. 关键词：正丁醇 极化度 偶极距 折射率 介质常数 Keywords:1-Butyl alcohol，Polarizability，Dipole moment，Refractive index，Dielectric constant 前言：偶极矩是一个向量，方向规定从负电荷指向正电荷。电偶极矩的SI制单位为C·m，微观物理学中常用的单位为“德拜Debye”，1Debye=3.336E-30C·m。 分子的正负电荷中心不重合，可以是这一分子在无外界电场作用下就能表现出的固有属性——此时它被称为“极性分子”；也可以是正负电荷中心原本重合的“非极性分子”，在外电场作用下发生了正负电荷中心的相互分离。因此偶极矩大小定量的表现出分子当前极性程度的大小，本实验就是要测定极性分子正丁醇的固有偶极矩大小。 正文： 实验部分： 一、实验目的与要求： 1．了解电介质在外电场中的极化现象。 2．掌握溶液法测定正丁醇偶极矩的实验和方法。 二、实验原理： 电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合；电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大，这样会使分子产生附加的偶极矩（诱导偶极矩）。这种现象称为分子的变形极化，可以用平均诱导偶极矩m来表示变形极化的程度。在中等强度的电场下设m=αDE内式中E内为作用于个别分子上的强场，αD为变形极化率。 因为变形极化产生于两种因素：分子中电子相对于核的移动和原子核间的微小移动，所以有αD=αE+αA式中αE、αA分别称为电子极化率和原子极化率。设n为单位体积中分子的个数，根据体积极化的定义（单位体积中分子的偶极矩之矢量和）有 P=nm=nαDE内 为了计算E内，考虑匀强电场中分子受到的静电力：维持匀强电场的电荷σ所产生的力F1，电介质极 化产生的感生电荷σ’产生的力F2，单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力F3，各分子间的相互作用F4 （忽略） E内=E1+E2+E3=4πσ+4πP+=E+ 式中σ为极板表面电荷密度。 平行板电容器内电量为定值的条件下：ε=C/C0=E0/E ，式中ε，C分别为电介质的介电常数和电容器的电容；脚标0对应于真空条件下的数值 因为 E=4πσ-4πσ’=E0-4πσ’ 又 E0=εE 可得 式中σ’为感生电荷的面电荷密度。 体积极化的等价定义为“单位立方体上下表面的电荷σ’与其间距的积”，所以 P=1×σ’=σ’ 因此，即 可得E内= P=nαDE内=，即 上式两边同乘分子量M和同除以介质的密度ρ，并注意到nM/ρ=N0，即得 这就是Clausius-Mosotti方程。 定义“摩尔变形极化度” 电场中的分子除了变形极化外还会产生取向极化，即具有固有偶极矩的分子在电场的作用下，会或多或少地转向电场方向。设它对极化率的贡献为PO，总摩尔极化度为P=PD+PO=PE+PA+PO，式中PE、PA、PO分别为摩尔电子极化度，摩尔原子极化度和摩尔取向极化度 ， 由玻尔兹曼分布定律可得： 式中μ为极性分子的固有偶极矩，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度 最后得到 此式称为Clausius-Mosotti-Debye方程。 将电介质置于交变电场中时，其极化情况和电场变化的频率