实验12 正丁醇偶极矩的测定

正丁醇偶极矩的测定

摘要：当分子中正、负电荷中心不重合时，分子就会具有极性，分子极性的大小用偶极矩μ来度量，偶极矩的大小与无限稀溶液的摩尔极化度和摩尔折光率有关。本实验将通过溶液法测定正丁醇的偶极矩，即通过测量正丁醇—环己烷稀溶液折射率、介电常数、溶液密度等随浓度的变化，求得正丁醇固有偶极矩的大小。

关键词：偶极矩正丁醇极化稀溶液法

Measurement on Dipole Moment of n-Butanol

Abstract:Molecule is called polar one while the centers of positive and negative charge do not coincide. Dipole moments is the measure of molecular polarity, which is related to molar polarization and molar refractivity of infinitely dilute solution. In the experiment, we research the relationship between the concentration of n-butyl alcohol—cyclohexane and the refractivity, dielectric constant, and density, to obtain the dipole moment of n-butyl alcohol.

Keywords:Dipole Moment n-Butanol Polarization Dilute Solution Method

1. 前言

分子中正负电荷中心不重合，从整个分子来看，电荷的分布是不均匀的，不对称的，这样的分子为极性分子，以极性键结合的双原子分子一定为极性分子，极性键结合的多原子分子视结构情况而定如CH4就是非极性分子。键的极性与分子的极性是两个不同的概念，极性键与极性分子间既有联系又有区别。极性分子一定含有极性键，即极性键是形成极性分子的必要条件，也可能含有非极性键。含有极性键的分子不一定是极性分子，即极性分子内不仅含极性键，而且分子结构不对称。若分子中的键全部是非极性的，这样的分子一般是非极性分子。

正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩μ= r×q。它是一个矢量，方向规定为从正电中心指向负电中心。偶极矩的单位是D（德拜）。根据讨论的对象不同，偶极矩可以指键偶极矩，也可以是分子偶极矩。分子偶极矩可由键偶极矩经矢量加法后得到。实验测得的偶极矩可以用来判断分子的空间构型。

溶液法是实验中较为常用的测定偶极矩的方法。就是将极性待测物溶于非极性溶剂中，测量溶液折射率、介电常数、溶液密度等随浓度的变化，然后外推到无限稀释，从而获得物

质的偶极矩。

2. 实验部分

2.1. 实验目的

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。

2.2. 实验原理

1．偶极矩和极化度

分子结构可以被看成是由电子和分子骨架所构成。由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩来表示。两个大小相等符号相反的电荷系统的电偶极矩的定义为

μ = q·r (1)

式中r 是两个电荷中心间距矢量，方向是从正电荷指向负电荷。q为电荷量，一个电子的电荷为4.8×1010CGSE，而分子中原子核间距为1Å = 108cm的量级，所以偶极矩的量级为：

μ = 4.8×1010×108 = 4.8×1018 CGSE×cm = 4.8 Debye

即　

1 Debye = 1018 CGSE×cm

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。在中等电场下设

　m = α DE内 (2)

式中E内为作用于个别分子上的强场。α D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

　α D = α E +α A (3)

式中α E、α A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和）有

P = n m = nα DE内 (4)

为了计算E内，现考虑平行板电容器内介质的电场，平行板电容器内的分子受到四种为的作用：

(1) 均匀分布于极板上电荷σ所产生的力F1；

(2) 电介质极化产生的感生电荷σ′产生的力F2；

(3) 单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力F3；

(4) 各分子间的相互作用F4；

目前还不能用一个公式来表示F4，在忽略F4后，单位正电荷所受的力的和即为E内

E内 = E1 + E2 + E3 = 4πσ + 4πP + (5)

式中σ为极板表面电荷密度。在平行板电容器内，在电量为定值的条件下：

　ε = C / C0 = E0 / 介电常数测量E (6)

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′ (7)

由(6)式有

　E0 =ε E (8)

由(7)(8)式可得

　 (9)

式中σ′为感生面电荷密度。体积极化定义为单位立方体上下表面的电荷（σ′）和间距的积，所以有

P = 1×σ′ =σ′ (10)

由(9)(10)式有

　 (11)

即

(12)

由(5)(12)式可得

E内 = (13)

由(4)(13)式可得

P = nα DE内 =

本文发布于:2024-09-22 20:20:07，感谢您对本站的认可！

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