稀溶液法测定偶极矩实验地报告材料
12页1、稀溶液法测定偶极矩【实验目的】空握落液注测定似极近的耍实验技术(2) 了用侶极诟与分子乜件加的获系.(3) 测定正丁醇的偶极矩。【实验原理】(1) 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,其正负电荷中心可以是重合的,也可以不重合。前者称为非极性分子,后者称为极性分子。b -图1电偶极矩示意图图2极性分:在电场作用下的工向1912年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小,如图1所示,其定义是式中,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;是一个向量,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,可以用来鉴别儿何莽构体和分子的立体结构等C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,如图2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了
2、。极化的程度可用摩尔转向极化度P卩来衡量。P卩与永久偶极矩的卩的平方成正比,与绝对温度 T成反比。P.4 nNA a9kT式中:k为玻兹曼常数,N A .対冏伏丿川徳罗當參G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诱导可分为二项,即电子极化度 Pe和原子极化度Pa,因此P 诱导= Pe+Pa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101Hz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、电子极化和原子 极化的总和。P = P+ Pe +Pa如何从测得的摩尔极化度P中分别出Pa的贡献呢?介电常数实际上是在107Hz以下的频 率测定的,测得的极化度为 Pa+ Pe +Pa。若把频率提高到红外范围(约10“ 10也Hz),分子 已经来不及转向,此时测得的极化度只有 Pe和Pa的贡献了。所以从按介电常数计算的 P中减 去红外线频率范围测得的极化,就等于 Pa,在实验上,若把频率提高到可见光范围,则原子 极化也可以忽略,则在可
3、见光范围:Pa =P -( Pe + Pa)- P(2)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一1+2xMp式中,M为被测物质的摩尔质量;p为该物质的密度; 但式是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。P与介电常数&之间的关系式。&是介电常数。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。因此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液中,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就可以看作是式中的P。溶剂和溶质的摩尔极化度等物在稀溶液中,若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象,理量可以被认为是具有可加性。因此,式可以写成:1 2 1M1X1M 2x2p ,2*X1p * X2P2勺,2十2P1 , 2式中,下标1表示溶剂;下标2表示溶质;X1表示溶剂的摩尔分数;X2表示溶质的摩尔分 数;R表示溶剂的摩尔极化度;P2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0PP1,2_ X1PP1,2 - Xi PiIp?:X2X2Hedestra
4、 nd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ax2bx2因此P;二 lim F2 = lim2 X_0X2=0-可 +ax2 _1 疋 M1X1 +M2X2 x s, -1 迸 M 1 &1 + ax? + 2p + bx2s + 2 pp bX2X23a s M11 1 M 2 bM=x+xs 2P1 2p做Sl,2-X2图,根据式由直线测得斜率a,截距日;作P,2 -X2图,并根据式 由直线测qQ得斜率b,截距p,代入式得P2(3)由折光度计算电子极化度Pe电子极化度可以使用摩尔折光度 R代替,即式中,n为物质的折射率;M为物质的摩尔质量;p为密度。同样在稀溶液中:n1,2=n1+cx2则一 2 28m -1 M2bM16m M 1cPe = R厂 lim &122111 -Pe R2勺/ n*p阳乜:2 p根据测量的溶液折射率ni,2作图ni.2-X2,由斜率求出C,就可以按照式计算出Pe(4) 介电常数的测定介电常数是通过测定电容计算而得的。 如果在电容器的两个板间充以某种电解质,电容器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变,那么充电解质的电容器
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