一、实验目的
1．测定氯仿在环已烷中的偶极矩，了解偶极矩与分子电性的关系。
2．了解Clansius-Mosotti-Debye方程的意义及公式的使用范围。
3．掌握密度管的使用与电容的测定。
二、实验原理
分子可近似看成由电子云和分子骨架(包括原子核和内层电子)组成。非极性分子的正、负电荷中心是重合的，而极性分子的正、负电荷中心是分离的，其分离程度的大小与分子极性大小有关，可用“偶极矩”这一物理量来描述。以q代表正、负电荷中心所带的电荷量，d代表正、负电荷中心之间的距离，则分子的偶极矩
=q·d (1)
为矢量，其方向规定为从正电荷中心到负电荷中心。
极性分子具有的偶极矩又称永久偶极矩，在没有外电场时，由于分子的热运动，偶极矩指向各个方向的机会相同，故偶极矩的统计值为零。但当有外电场存在时，偶极矩会在外电场的作用下沿电场方向定向排列，此时我们称分子被极化了，极化的程度可用分子的摩尔取向极化度来衡量。 除摩尔取向极化度外，在外电场作用下，极性分子和非极性分子都会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，这种现象称为变形极化，可用摩尔变形极化度来衡量。显然，由电子极化度和原子极化度组成。所以，对极性分子而言，分子的摩尔极化度由三部分组成，即
＝＋＋ (2)
当处在交变电场中，根据交变电场的频率不同，极性分子的摩尔极化度可有以下三种不同情况：
(1)低频下(＜1010秒―1)或静电场中，＝＋＋；
(2)中频下(1012秒―1~1014秒―1)(即红外频率下)，由于极性分子来不及沿电场取向，故=0，此时＝＝＋；
(3)高频下(＞1015秒―1)(即紫外频率和可见光频率下)，极性分子的取向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化，此时=0， =0，＝。
因此，只要在低频电场下测得，在红外频率下测得，二者相减即可得到。理论上有
(3)
式中L为阿伏加德罗常数，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。由(1)式即可求出极性分子的永久偶极矩，从而了解分子结构的有关信息。
由克劳修斯-莫索蒂-德拜(Clausius-Mosotti-Debye)方程，分子的摩尔极化度与介电常数、物质密度之间的关系为
(4)
式中M为被测物质的摩尔质量。
式(28－4)仅适用于分子间无相互作用力的情况，因此只能用于气体或无限稀释的非极性溶剂的溶液，此时分子的摩尔极化度成为无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度。根据溶液的加和性，可推导出溶液无限稀释时溶质摩尔极化度的公式
(5)
式中的、、、、分别为溶剂的介电常数、密度、摩尔质量、溶质的摩尔质量、摩尔分数，、满足下列稀溶液的近似公式
(6)
(7)
、分别为溶液的介电常数、密度。
由于在红外频率下测较困难，所以一般是在高频电场中测(此时=0， =0，极性分子的摩尔极化度＝)。根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常数和折光率的关系为
(8)
一般地，我们用摩尔折射度来表示高频区测得的摩尔极化度，即
(9)
同样，可以推导出溶液无限稀释时溶质摩尔折射度的公式
= (10)
式中满足稀溶液的近似公式
(11)
、分别为溶液、溶剂的折光率。、、值分别可由~、~和~介电常数测量直线斜率求得。
由上述可见，－=+，而通常只有的5%~10%，且又远远大于，所以通常忽略，再根据式(3)可得
=－ (12)
结合式(5)、式(10)可以看出，式(12)的意义在于其将物质分子的微观性质偶极矩与它的宏观性质介电常数、密度和折光率联系起来了，极性分子的永久偶极矩就可用下列简化式计算
＝0.04274×10-30× (13)
注意上式根号内的极化度、以cm3·mol-1为单位，温度以K为单位，则所得永久偶极矩的单位为C·m。
若在某些情况下需要考虑的影响，只需对作部分修正。
上述测求极性分子偶极矩的方法称为溶液法。该法中的介电常数是通过测量电容后计算而得到的。常用的测定偶极矩的实验方法还有温度法、分子束法、分子光谱法等。
三、仪器试剂
仪器：数字阿贝折光仪，PGM-Ⅱ型数字小电容测试仪，电容池，超级恒温槽，比重管，电吹风，容量瓶(50ml)，针筒。
试剂：氯仿(A.R.)，环己烷(A.R.)。
四、实验步骤
1．氯仿溶液的配制
用称重法配制4个不同浓度的氯仿－环己烷溶液于50ml容量瓶中，各溶液浓度控制在氯仿摩尔分数为0.01,0.05,0.10，0.15左右。配制好以上溶液后连同另一个装纯环己烷的50ml容量瓶一起放入超级恒温槽中恒温。
2．测电容求介电常数
本实验采用环己烷作为标准物质，用电桥法测量电容。具体原理及操作可参考仪器部分(仪器 )。
(14)
(15)
(16)
上列各式中，为分布电容，、、分别为空气、纯环己烷及各溶液的电容测量值，而各真实值、、则应为测量值减去分布电容。
由于可近似看作与真空电容相等
(17)
又由于物质的介电常数与其电容的关系为
故 (式中可查文献) (18)
(19)
将式(17)、式(18)代入式(14)、式(15)可得
(20)
(21)
由式(20)、式(21)可得
故 (22)
即 (23)
将所求得的值代入式(16)，可得各溶液的电容值，再将值代入式(19)即可求得各溶液的介电常数。
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