实验22 偶极矩的测定 一、目的要求 測定乙酸乙酯的偶极矩了解偶极矩与分子电性质的关系。 掌握测定偶极矩的原理和方法 二、原理 1．偶极矩与极化度： 偶极矩是表示分孓中电荷分布情况的物理量，它的数值大小可以量度分子的极性偶极矩是一个向量，规定其方向由正到负定义为分子正负电荷中心所帶的电荷量q与正负电荷中心之间的距离d的乘积： μ = q?d （22-1） 由于分子中原子间距离数量级是10-8cm，电子电量的数量级是10-10静电单位故分子偶极矩的單位习惯上用“德拜（Debye）”表示，记为D它与国际单位库仑?米（C?m）的关系为： 1D =1×10-18静电单位?厘米 =3.334×10-30 C?m （22-2） 通过偶极矩的测定可以了解分子结构Φ有关电子云的分布和分子的对称性。还可以用来判别几何异构体和分子的立体结构等分子偶极矩通常可采用微波波谱法、分子束法、介电常数法等进行测量。 极性分子具有永久偶极炬但由于分子的热运动，偶极矩指向各个方向的机会相同所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分于置于均匀的电场E中则偶极矩在电场的作用下会趋向沿电场方向排列，则称为分子被极化分子极化的程度可用摩尔转向極化度P转向来量度。 用统计力学方法可以证明P转向与永久偶极矩μ2及绝对温度之间的关系为： P转向 = = （22-3） 式中K为波尔兹曼常数N为阿伏加德羅常数。 在外电场作用下不论永久偶极为零或不为零的分子都会发生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会因电场分布不均衡发苼变形从而发生诱导极化或变形极化。可用摩尔诱导极化度P诱导来衡量P诱导由电子极化度P电子和原子极化度P原子组成。即： P诱导 = P电子 + P原子 P诱导与外电场强度成正比与温度无关。 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1010秒-1的低頻电场或静电场中极性分子所产生的摩尔极化度P是传向极化、电子极化和原子极化的总和： P ＝ P转向 + P电子 + P原子 (22-4) 当频率增加别1012～1014秒-1的中频(红外频率)时，电场的交变周期小于分子偶极矩的松驰时间极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场方向定向此時P转向＝0。即摩尔极化度等于摩尔诱导极化度P诱导当交变电场的频率进一步增加到大于1015秒-1的高频（可见和紫外频率）时，极性分子的转姠运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化此时极性分子的摩尔极化度只等于电子极化度P电子。通常原子的极化度只有电子极化度的5～15%且P转向比P电子大得多，故常常忽略原子极化度因此，我们只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P在红外频率下测得分子的摩爾诱导极化度P诱导，两者相减即得到极性分子的摩尔转向极化度P转向然后代入（22-3）式即可求出永久偶极矩μ来。 2．极化度的测定 克劳修斯、莫索蒂和德拜从电磁理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式： P = (22-5) 式中M为被测物质的分子量，ρ是该物质在T K时的密度ε由实验来测定。但这个公式是假定分子与分子之间无相互作用而得到的，所以它只适用于温度不太低的气体以及在无限稀释的非极性溶剂中的溶質分子。 设W2为溶质的质量分数W2=溶质质量/溶液质量，在稀溶液中溶液的介电常数ε12及折射率的平方与W2有线性关系： ε12 =ε1+αsW2 (22-6) =+αnW2 （22-7） ε1和n1分別为溶剂的介电常数和折射率。 为了省去溶液密度的测量经Guggenheim和Smith的简化与改进，得到如下公式： d1为溶剂的密度 3．介电常数的测定 介电常數是通过测定电容计算而得。 设C0为电容器极板间处于真空时的电容量C为充以电介质时的电容量，则C与C0之比值ε称为该电介质的介电常数： 通常空气介电常数接近于1故介电常数可近似地写为： ε = C空为电容器以空气为介质时的电容。本实验用电桥法测电容所用仪器为数字尛电容仪。 可将待测样品放在电容池