实验3 溶液法测定极性分子的偶极矩 1 目的要求 (1) 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。 (2) 了解偶极矩与分子电性质的关系。 (3) 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。 2 基本原理 (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。由于其空间构型的不同，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。 图18-1电偶极矩示意图 图18-2极性分子在电场作用下的定向 1912年德拜提出“偶极矩” μ 的概念来度量分子极性的大小，如图18-1所示， 其定义是 d q ?=μ (1-1) 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；μ 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，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 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Ⅱ-29-2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P 转向来衡量。 转向 P 与永久偶极矩2μ的值成正比，与绝对温度T 成反比。 kT N P 3432μπ ?=转向 kT N μ π ?=9 4 (1-2) 式中：k 为玻兹曼常数，N 为阿伏加德罗常数。
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P 电子和原子极化度P 原子，因此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1010s -1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。 原子电子转向P P P P ++= (1-3) 当频率增加到1012～1014的中频(红外频率)时，电子的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，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，故转向P =0，此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度诱导P 。当交变电场的频率进一步增加到＞1015秒-1的高频(可见光和紫外频率)时，极向分子的转向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等于电子极化度电子 P 。 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P ，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度诱导P ，两者相减得到极性分子摩尔转向极化度转向P ，然后代入(18-2)式就可算出极性分子的永久偶极矩μ来。 (2) 极化度的测定：克劳修斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P 与介电常数ε之间的关系式： ρ εεM P ?+-= 21 (1-4) 式中，M 为被测物质的分子量；ρ为该物质在TK 下的密度；ε可以通过实验测定。 但(1-4)式是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不太低的气相体系，对某些物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来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剂的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度∞2P ，就可以看作为(1-4)式中的P 。 海台斯纳特首先利用稀释溶液的近似公式。
溶液法测定极性分子的偶极矩 一、实验目的 了解电介质极化与分子极化的概念，以及偶极矩与分子极化性质的关系。掌握溶液法测定极性分子永久偶极矩的理论模型和实验技术，用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。 二、实验原理 德拜（Peter Joseph William Debye ）指出，所谓极性物质的分子尽管是电中性的，但仍然拥有未曾消失的电偶极矩，即使在没有外加电磁场时也是如此。分子偶极矩的大小可以从介电常数的数据中获得，而对分子偶极矩的测量和研究一直是表征分子特性重要步骤。 1、偶极矩、极化强度、电极化率和相对电容率（相对介电常数） 首先定义一个电介质的偶极矩（dipole moment ）。考虑一簇聚集在一起的电荷，总的净电荷为零，这样一堆电荷的偶极矩p 是一个矢量，其各个分量可以定义为 i i i z i i i y i i i x z q p y q p x q p 式中电荷i q 的坐标为),,(i i i z y x 。偶极矩的SI 制单位是：m C 。 将物质置于电场之中通常会产生两种效应：导电和极化。导电是在一个相对较长的（与分子尺度相比）距离上输运带电粒子。极化是指在一个相对较短的（小于等于分子直径）距离上使电荷发生相对位移，这些电荷被束缚在一个基本稳定的、非刚性的带电粒子集合体中（比如一个中性的分子）。 一个物质的极化状态可以用矢量P 表示，称为极化强度（polarization ）。矢量P 的大小 定义为电介质内的电偶极矩密度，也就是单位体积的平均电偶极矩，又称为电极化密度，或电极化矢量。这定义所指的电偶极矩包括永久电偶极矩和感应电偶极矩。P 的国际单位制度量单位是2 m C 。为P 取平均的单位体积当然很小，但一定包含有足够多的分子。在一个微小的区域内，P 的值依赖于该区域内的电场强度E 。 在这里，有必要澄清一下物质内部的电场强度的概念。在真空中任意一点的电场强度E 的定义为：在该点放置一个电荷为dq 的无限微小的“试验电荷”，则该“试验电荷”所受
分子偶极矩的测定 一、实验目的 1、电桥法测定极性物质在非极性溶剂中的介电常数和分子偶极矩。 2、了解溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算，并了解偶极矩与分子电性 质的关系。 二、实验原理 1）偶极矩和极化度 分子的表象为电中性，但是由于空间构型的不同，分子的正负中心有可能不重合，于是表现出极性来，极性的大小用偶极矩μ来衡量 μ=qd 式中q为正（负）电荷中心所带的电荷量，d为正、负电荷间的距离。偶极矩的方向规定从正指向负。 极性分子拥有偶极矩，在没有外电场的作用下时，由于分子热运动，偶极矩指向各方向的机会均等，所以统计偶极矩等于0。将分子置于外电场中时，分子会沿外电场方向做定向的转动，同时，分子中的电子云相对分子骨架发生位移，分子骨架本身也发生一定的变形，成为分子极化，可用摩尔极化度来衡量分子极化程度。因转向而极化成为摩尔转向极化度，由变形所致的为摩尔变形极化度，包括电子极化和原子极化。即 P=P 转向+P 变形 =P 转向 +(P 电子 +P 原子 ) 已知P 转向 与永久偶极矩μ的平方成正比，与热力学温度成反比，即 P 转向= 1 4 πN A μ2 b = N Aμ2 0b 式中k b为玻尔兹曼常数，N A为阿伏伽德罗常数。 对于非极性分子，μ=0，即P 转向=0，所以P=P 电子 +P 原子 。 对于极性分子，分子的极化程度与外电场的频率有关。在低频电场（ν﹤1010s-1）下,摩尔极化度等于摩尔转向极化度与摩尔变形极化度之和；在中频电场（ν=1012～1014s-1）下，电场交变周期小于偶极矩的松弛时间，分子转向运动跟 不上电场变化，P 转向=0，于是P=P 电子 +P 原子 ；在高频电场（ν﹥1015s-1）下，
偶极矩的测定 1 目的要求 (1) 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。 (2) 了解偶极矩与分子电性质的关系。 (3) 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。 2 基本原理 (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。由于其空间构型的不同，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。 图18-1电偶极矩示意图 图18-2极性分子在电场作用下的定向 1912年德拜提出“偶极矩” μ的概念来度量分子极性的大小，如图 18-1所示，其定义是 (18-1) 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；μ? 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，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 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 d q ?=μ?p + b
场E 中，则偶极矩在电场的作用下，如图Ⅱ-29-2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P 转向来衡量。 与永久偶极矩 的值成正比，与绝对温度T 成反比。 KT N P 3432μπ? ?=转向 KT N μπ? ?=94 (18-2) 式中：K 为玻兹曼常数，N 为阿伏加德罗常数。 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P 电子和原子极化度P 原子，因此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1010s -1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。 原子电子转向P P P P ++= (18-3) 当频率增加到1012～1014的中频(红外频率)时，电子的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，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，故 =0，此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度 。当交变电场的频率进一步增加到＞1015秒-1的高频(可见光和紫外频率)时，极向分子的转向运动和分子骨架变形都跟不上电 转向P 2 μ转向P 诱导P
偶极矩的测定 XXX 中国科学技术大学材料科学与工程系，合肥 联系人Email ：XXX 摘要:本实验通过溶液法测定正丁醇偶极矩。通过测定不同浓度正丁醇的环己烷稀溶液的折射率、密度、介电常数，利用外推法得到一系列数据，从而计算得到正丁醇分子的偶极矩。 关键词: 偶极矩溶液法外推法正丁醇极性分子 ABSTRACT:In this experiment，we determined the dipole moment of Butanol by usingsolution method.Wemeasuredthe density, dielectric constantand refractive index of Butanol cyclohexane solution. Then we used extrapolation to determine the relative value which help calculate the dipole moment of Butanol. Key word: Dipole momentButanol Solution method extrapolation Polar molecule 前言 偶极矩是分子结构的重要参数, 在无机化学、分析化学、有机化学、物理化学中都有涉及。它对判断分子的空间结构, 了解分子中的电荷分布、极性、对称性有重要作用。 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μ=q?r 来表示。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4.8×10-10CGSE，而分子中原子核间距为1? = 10-8cm的量级，所以偶极矩的量级为：μ = 4.8×10-10×10-8 = 4.8×10-18 CGSE×cm = 4.8 Debye,即1 Debye = 10-18 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。 如将电介质置于交变电场中，则其极化和电场变化的频率有关。交变电场的频率小于1010秒-1时，极性分子的摩尔极化度P中包含了电子原子和取向的贡献。当频率增加到1012－1014秒-1时，电场的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的取向运动跟不上电场的变 化，这时极性分子来不及沿电场取向，故P O = 0。当交变电场的频率进一步增加到大于1015 秒-1高频场时，分子的取向和分子骨架的变形都跟不上电场的变化，这时的摩尔极化度称为摩尔折射度R。 这样我们用交变频率为1000HZ的交流电桥测出电容池中各浓度下溶液的电容，用此电容除以真空下电容池的电容即得介电常数。用阿贝折射仪测出可见光下各溶液的折射率，再用分析天平测出各溶液的密度，可定出α、β、γ，而后算出P∞和R∞，进而算出分子的永久偶 极矩μ。 1实验部分 （i）试剂. 正丁醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司） 环已烷（分析纯，国药集团化学试剂有限公司） （ii）仪器. 2W AJ型阿贝折射仪（上海申光仪器仪表有限公司） PCM-1A型精密电容测量仪（南京南大万和科技有限公司）
溶液法测定极性分子的偶极矩 I. 目的与要求 一、 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩 二、 了解偶极矩与分子电性质的关系 三、 掌握溶液法测定偶极矩的实验技术 I I. 基本原理 一、偶极矩与极化度 分子结构可以近似地被石成是由电子。和对于骨架（原子核及内层电子）所构成的。由于分子空间构型的不同，其正、负电荷中心可能是重合的，也可能不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子。 图1 电偶极矩示意图 1912年，德拜（Debye ）提出―偶极矩‖μ的概念来度量分子极性的大小，如图1所示，其定义是 d q ?=μ （1） 式中 q 是正、负电荷中心所带的电荷量，d 为正、负电荷中心之间的距离，μ是一个向量，其方向规定从正到负。因分子中原子间距离的数量级为1010 -m ，电荷的数量级为2010-C ，所以偶极矩的数量级是3010-C·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等情况，还可以用来判别几何异构体和分子的立体结构等。 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。若将极性分子置于均匀的电场中，则偶极矩在电场的作用下会趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了，极化的程度可用摩尔转向极化度转向P 来衡量。 转向P 与永久偶极矩平方成正比，与热力学温度T 成反比
kT L kT L P 2294334μπμπ=?=转向 （2） 式中k 为玻耳兹曼常数，L 为阿伏加德罗常数。 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，分子骨架也会发生变形，这种现象称为诱导极化或变形极化，用摩尔诱导极化度诱导P 来衡量。显然，诱导P 可分为二项，即电子极化度电子P ，和原子极化度原子P ，因此诱导P = 电子P + 原子P 。诱导P 与外电场强度成正比，与温度无关。 如果外电场是交变电场，极性分子的极化情况则与交变电场的频率有关。当处于频率小于1010-s -1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 = 转向P + 电子P + 原子P （3） 当频率增加到1210-～1410-s -1的中频（红外频率）时，电场的交变周期小于分子偶极矩的弛豫时间，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定向，故转向P = 0。此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度诱导P 。当交变电场的频率进一步增加到大于1510-s -1的高频（可见光和紫外频率）时，极性分子的转向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等于电子极化度电子P 。 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P ，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度诱导P ，两者相减得到极性分子的摩尔转向极化度转向P ，然后代人（2）式就可算出极性分子的永久偶极矩μ来。 二、极化度的测定 克劳修斯、莫索蒂和德拜（Clausius －Mosotti －Debye ）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 ρ εεM P ?+-=21 （4） 式中，M 为被测物质的摩尔质量，ρ是该物质的密度，ε可以通过实验测定。 但（4）式是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的，所以它只适用于温度不太低的气相体系。然而测定气相的介电常数和密度，在实验上困难较大，某些物质甚至根本无法使其处于稳定的气相状态。因此后来提出了一种溶液法来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度∞ 2P 就可以看作为（4）式中的P 。 海德斯特兰（Hedestran ）首先利用稀溶液的近似公式 ()211x αεε+=溶 （5） ()211x βρρ+=溶 （6） 再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度的公式
物理化学实验 偶极矩的测定 一． 目的要求 1． 理解折射法测定偶极矩的原理 2． 掌握折射法测定偶极矩的主要实验技术 3． 用折射法测定乙酸乙酯的偶极矩 二． 基本原理 1． 偶极矩和极化率 分子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成，正负电荷的重心可能重合，也可能不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子。表征分子电荷分布的两个最重要的物理量是偶极矩和磁化率。 1912德拜（Debye ）提出用偶极矩μ来度量分子极性的大小，两个带电荷为＋q 和－q 的质点，相距d 远时，体系偶极矩的大小为 d q ?＝μ （1） 偶极矩是一个矢量，在化学中，它的方向规定为从正到负，偶极矩的SI 制单位是库伦·米 （C·m ），因为分子中原子间距离的数量级为10-10 m ，电荷的数量级为10-20 C ，所以μ的数量级为10-30C·m ，习惯上还用“德拜”作单位，记做 D 。两者关系是1D ＝3.33563×10-30 C·m 。 分子在电场影响下极化，极化有转向极化和诱导极化两类，极性分子在不加电场时，由于分子的热运动，偶极矩指向各方面的概率相同，故大量分子的总的平均偶极矩等于零，在加电场时，极性分子与电场的相互作用能 θμcos F E ＝? （2） 式中F 是分子所在位置的有效电场强度，θ是μ和F 间夹角，为使体系能量最低，分子尽可 能定向，使θ在180。 左右，而热运动会破坏分子定向，使θ取任意角度，由转向而产生的平均偶极矩r μ，与F 、μ和T 的关系如下： F kT r 32 μμ= 式中，k 为玻耳兹曼（1.3806×10 -23 J·K -1 ）常数；T 为热力学温度。令kT 32 μαμ= ，故F r μαμ=， μα称为转向极化率，SI 制单位为C ·m 2∕V 。 非极性分子没有永久偶极矩μ，故在电场中没有转向极化，无论是极性分子还是非极性分子在电场中都有变形变化。由正负电荷重心的移动而产生的诱导偶极矩与分子所处的有效电场强度成正比。 2μ＝αd F αd 称为分子的变形极化率 e a d ααα＋＝ αa 表征分子骨架（即分子中各原子核和内层电子）的变形，称为原子极化率 αe 表征价电子云相对于分子骨架的移动，称为电子极化率。 总之平均偶极矩2r μμμ=+r 2μμμ＝＋ 极化率2 d a e 3kT μμααααα＝＋= ＋＋ 对非极性分子2 μμ＝，a e ααα＝＋ （3） 2． 极化率和介电常数的关系 已经证明在忽略分子间作用力的情况下 αππερεεA N P M 3 4 41210?==?+- （4） 这一关系式称为克劳修斯－莫索第一德拜（Clausius-Mosotti-Debye ）方程式，式中ε为介电
华南师范大学实验报告 学生姓名学号 2 专业化学（师范）年级、班级2009级化6 课程名称结构化学实验项目稀溶液法测定偶极矩 实验类型验证综合实验时间2011 年12 月 2 日 实验指导老师实验评分 一、实验目的 1.掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术 2.了解偶极矩与分子电性质的关系 3.测定正丁醇的偶极矩 二、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，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。
1912年，德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义是 qd =→ μ ① 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；→ μ是一个矢量，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10-10 m ，电荷的数量级为10-20 C ，所以偶极矩的数量级是10-30 C ·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，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 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，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度P μ来衡量。P μ与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度T 成反比。 kT 9μ πN 4P A μ= ② 式中，k 为波兹曼常数；NA 为阿弗加德罗常数；T 为热力学温度；μ为分子的永久偶极矩。 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 诱导可分为两项，即电子极化度P e 和原子极化度P a ，因此 P 诱导 = P e + P a ③
偶极矩的测定 一、实验目的: 1.用溶液法测定CHCl 3的偶极矩 2.了解介电常数法测定偶极矩的原理 3.掌握测定液体介电常数的实验技术 二、基本原理: 1. 偶极矩与极化度 分子结构可近似地被看成是由电子云和分子骨架(原子核及内层电子)所构成的，分子本身呈电中性，但由于空间构型的不同，正、负电荷中心可重合也可不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子。分子极性大小常用偶极矩来度量，其定义为： qd =μ （1） 其中q 是正负电荷中心所带的电荷，d 为正、负电荷中心间距离，μ 为向量，其方向规定为从正到负。因分子中原子间距离的数量级为10-10m ，电荷数量级为10-20C ，所以偶极矩的数量级为10-30C ·m 。 极性分子具有永久偶极矩。若将极性分子置于均匀的外电场中，则偶极矩在电场的作用下会趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔定向极化度P u 来衡量。P u 与永久偶极矩平方成正比，与热力学温度T 成反比 kT N kT L P A 2 294334μπμπμ==(A N kTP πμμ49=) （2） 式中k 为玻尔兹曼常数，N A 为阿伏加德罗常数。 在外电场作用下，不论是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，分子骨架也会发生变形，这种现象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 诱导可分为两项，为电子极化和原子极化之和，分别记为P e 和P a ，则摩尔极化度为： P m = Pe + Pa + P μ （3） 对于非极性分子，因μ=0，所以P= Pe + Pa 外电场若是交变电场，则极性分子的极化与交变电场的频率有关。当电场的频率小于1010s -1 的低频电场或静电场下，极性分子产生的摩尔极化度P m 是定向极化、电子极化和原子极化的总和，即P m = Pe + Pa + P μ。而在电场频率为1012s -1～1014 s -1的中频电场下（红外光区），因为电场的交变周期小，使得极性分子的定向运动跟不上电场变化，即极性分子无法沿电场方向定向，则P μ= 0。此时分子的摩尔极化度P m = P e + P a 。当交变电场的频率大于1015s -1（即可见光和紫外光区），极性分子的定向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化，此时Pm = Pe 。 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P m ，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度P 诱导，两者相减得到极性分子的摩尔定向极化度P u ，带入（2）式，即可算出其永久偶极矩μ。 因为Pa 只占P 诱导中5%～15%，而实验时由于条件的限制，一般总是用高频电场来代替中频电场。所以通常近似的把高频电场下测得的摩尔极化度当作摩尔诱导偶极矩。 2．极化度和偶极矩的测定 对于分子间相互作用很小的体系，Clausius-Mosotti-Debye 从电磁理论推得摩尔极化度P 于介电常数ε之间的关系为 d M P ?+-= 21εε （4） 式中：M 为摩尔质量，d 为密度。 上式是假定分子间无相互作用而推导出的，只适用于温度不太低的气相体系。但测定气相介电常数和密度在实验上困难较大，所以提出溶液法来解决这一问题。溶液法的基本思想是：在无限稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度∞ P 就可看作为上式中的P ，即：
稀溶液法测定偶极矩 一、实验目的 （1）掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术 （2）了解偶极矩与分子电性质的关系 （3）测定正丁醇的偶极矩 二、实验原理 2.1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，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。 1912年，德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义是 qd =→ μ （1） 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；→ μ是一个矢量，其方向规定为从正到负，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，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 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，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度P μ来衡量。P μ与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度T 成反比。 kT 9μ πN 4P A μ= （2） 式中，k 为波兹曼常数；NA 为阿弗加德罗常数；T 为热力学温度；μ为分子的永久偶极矩。 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 诱导可分为两项，即电子极化度P e 和原子极化度P a ，因此 P 诱导 = P e + P a （3） 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1010H Z 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 μ+ P e +P a （4） 介电常数实际上是在107H Z 一下的频率测定的，测得的极化度为 P μ+ P e +P a 。若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有P e 和P a 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
结构化学实验二 溶液法测定极性分子的偶极矩 一、实验目的 1.用溶液法测定正丁醇的偶极矩 2.了解偶极矩与分子电性质的关系 3. 掌握溶液法测定偶极矩的实验技术 二、实验原理 1.偶极矩与极化度 两个大小相等方向相反的电荷体系的偶极矩定义为： μ=q d (1) 极性分子在电场作用下极化程度可用摩尔定向极化度P定向来衡量： P定向=4/3πN A*μ02/(3kT)=4/9πN A*μ02/(kT) (2) 极性分子所产生的摩尔极化度P是摩尔定向极化度、摩尔电子诱导极化度和摩尔原子诱导极化度的总和： P=P定向+P诱导=P定向+P电子+P原子(3) 2. 溶液法测定偶极矩 无限稀释时溶质的摩尔极化度的公式： P=P2∞=3αε1/(ε1+2)2* Μ1/ρ1+ (ε1-1)/(ε1+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1(9) 习惯上用溶质的摩尔折射度R2表示高频区测得的摩尔极化度，因为此时P 定向=0，P原子=0，推导出无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式： P电子=R2∞=(n12-1)/(n12+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1+6n12Μ1γ/[(n12+2)2*ρ1] (13) 稀溶液的近似公式：
ε溶=ε1(1+α* x2) (7) ρ溶=ρ1(1+β*x2) (8) n溶=n1(1-γ*x2) (12) 由P定向=P2∞-R2∞=4/9πN A*μ02/(kT) (14) 得μ0=0.0128*[(P2∞-R2∞)*T]1/2 (D)(15) 需测定参数：α，β，γ，ε1，ρ1 n1 三、仪器和试剂 仪器：阿贝折光仪1台；比重管1只；电容测量仪一台；电容池一台；电子天平一台；电吹风一只；25ml容量瓶4支；25ml、5ml、1ml移液管各一支；滴管5只；5ml针筒一支；针头一支；吸耳球两个 试剂：正丁醇（分析纯）；环己烷（分析纯）；蒸馏水；丙酮 四、实验步骤 1.溶液的配制 配制4种正丁醇的摩尔分数分别是0.05、0.10、0.15、0.20的正丁醇-环己烷溶液。 2.折光率的测定 用阿贝折光仪测定环己烷和各配制溶液的折光率。测定时注意各样品需加样三次，每次读取一个数据，取平均值。 3.介电常数的测定 （2）电容C0 和Cd 的测定：本实验采用环己烷为标准物质，其介电常数
华南师范大学实验报告 课程名称：结构实验 实验项目：稀溶液法测定偶极矩 实验类型：□验证□设计□综合 实验时间：2009年11月20日 一、实验名称：稀溶液法测定偶极矩 二、实验目的 (1) 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。 (2) 了解偶极矩与分子电性质的关系。 (3) 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。 三、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。由于其空间构型的不同，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。 图1电偶极矩示意图 图2极性分子在电场作用下的定向 1912年德拜提出“偶极矩” μ 的概念来度量分子极性的大小，如图1所示，其定义是 (1) 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；μ 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，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 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。极化的程度可用摩尔转向极化度P 转向来衡量。 与永久偶极矩 的值成正比，与绝对温度T 成反比。 KT N P 3432μπ ?=转向 d q ?=μ 转向P 2μ
实验三十八 溶液法测定极性分子的偶极矩 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 μ=q ·d (1) μ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取向P 来衡量。 除摩尔取向极化度取向P 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 变形P 来衡量。显然，变形P 由电子极化度电子P 和原子极化度原子P 组成。所以，对极性分子而 言，分子的摩尔极化度P 由三部分组成，即 P ＝取向P ＋电子P ＋原子P (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P 可有以下三种不同情况： (1)低频下(＜1010秒― 1)或静电场中，P ＝取向P ＋电子P ＋原子P ； (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 取向P =0，此时P ＝变形P ＝电子P ＋原子P ； (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，此时取向P =0，原子P =0，P ＝电子P 。 因此，只要在低频电场下测得P ，在红外频率下测得变形P ，二者相减即可得到取向P 。理论上有
用小电容测量仪测偶极矩 【实验目的】 1. 掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。 2. 熟悉小电容仪、折射仪的使用。 3. 用溶液法测定正丁醇的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。 【实验原理】 1.偶极矩与极化度 分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩μ来度量，其定义为 μ=gd(1) 式中，g为正、负电荷中心所带的电荷量;d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库米(C·m)。而过去习惯使用的单位是德拜(D)，1D=×10-30C·m。 若将极性分子置于均匀的外电场中，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，称为极化。极化的程度用摩尔极化度P来度量。P是转向极化度(P转向)、电子极化度(P电子)和原子极化度(P原子)之和， P =P转向+ P电子+ P原子(2) 其 中， (3) 式中，N A为阿佛加德罗(Avogadro)常数;K为玻耳兹曼(Boltzmann)常数;T为热力学温度。 由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P原子，(2)式可写成 P = P转向 + P电子 (4) 只要在低频电场(ν<1010s-1)或静电场中测得P;在ν≈1015s-1的高频电场(紫外可见光)中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P转向=0，P原子=0，所以测得的是P电子。这样由(4)式可求得P转向，再由(3)式计算μ。 通过测定偶极矩，可以了解分子中电子云的分布和分子对称性，判断几何异构体和分子的立体结构。 2.溶液法测定偶极矩 所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定，然后外推到无限稀释。因为在无限稀的溶液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的偶极矩可按下式计算: (5) 式中，P∞2和R∞2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度(习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子);T是热力学温度。 本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液，然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P∞2;在可见光下测定溶液的R∞2，然后由(5)式计算正丁醇的偶极矩。 (1)极化度的测定 无限稀时，溶质的摩尔极化度P∞2的公式为
实验二十九 偶极矩的测定 1 目的要求 (1) 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。 (2) 了解偶极矩与分子电性质的关系。 (3) 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术。 2 基本原理 (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。由于其空间构型的不同，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。 图18-1电偶极矩示意图 图18-2极性分子在电场作用下的定向 1912年德拜提出“偶极矩” μ的概念来度量分子极性的大小，如图18-1所示，其 定义是 (18-1) 式中，q 是正负电荷中心所带的电量； 为正负电荷中心之间的距离；μ? 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，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。 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Ⅱ-29-2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P 转向来衡量。 与永久偶极矩 的值成正比，与绝对温度T 成反比。 KT N P 3432 μπ??=转向 KT N μ π? ? =94 (18-2) 式中：K 为玻兹曼常数，N 为阿伏加德罗常数。 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P 电子和原子极化度P 原子，因此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1010s -1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。 d q ?=μ? d 转向P 2μp
偶极矩 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。 基本介绍 同属于AB2型分子，CO2的μ=0，可以判断它是直线型的；H2S的μ≠0，可判断它是折线型的。可以用偶极矩表示极性大小。键偶极矩越大，表示键的极性越大；分子的偶极矩越大，表示分子的极性越大。 2分析说明 两个电荷中，一个电荷的电量与这两个电荷间的距离的乘积。可用以表示一个分子中极性的大小。如果一个分子中的正电荷与负电荷排列不对称，就会引起电性不对称，因而分子的一部分有较显著的阳性，另一部分有较显著的阴性。这些分子能互相吸引而成较大的分子。例如缔合分子的形成，大部分是由于氢键，小部分就是由于偶极矩。偶极矩用μ表示:μ=q*d。单位为D（Debye.德拜） 3偶极矩测定 偶极矩与极化度 分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩μ来度量，偶极矩定义为：μ=q·d .......① 式中，q为正、负电荷中心所带的电荷量；d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库（仑）米（C·m）。 若将极性分子置于均匀的外电场中，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形，称为极化。极化的程度用摩尔极化度P来度量。P 是转向极化度（P转向）；电子极化度（P电子）和原子极化度（P原子）之和：P= P转向+ P电子+ P原子 .....② 由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P原子，则②式可写成：P= P转向+ P电子 .只要在低频电场（ν）或静电场中测得P；在ν的高频电场（紫外可见光）中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P转向=0。 P原子=0，所以测得的是P电子。这样可求得P转向，再计算μ。
物理化学实验报告 院系化学化工学院 班级化学061 学号13 姓名沈建明
实验名称 溶液法测定极性分子的偶极距 日期 2009.3.26 同组者姓名 史黄亮 室温 17.86℃ 气压 101.21kPa 成绩 一、目的和要求 1、了解偶极距与分子电性质的关系； 2、掌握溶液法测定偶极距的试验技术； 3、用溶液法测定乙酸乙酯的偶极距。 二、基本原理 1. 偶极矩和极化度 分子的极性可以用“偶极矩”来度量。其定义为 （1） q 为正、负电荷中心所带电荷量，d 为正、负电荷中心距离。 是向量， 其方向规定从正到负。 若将极性分子置于均匀电场E 中，则偶极矩在电场的作用下趋向电场方 向排列，分子被极化，极化的程度可用摩尔转向极化度P 转向来衡量： （2） 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，分子骨架也辉因电场分布不均衡发生变形。用摩尔变形极化度P 变形来衡量： P 变形 ＝ P 电子 ＋ P 原子 （3） 分子的摩尔极化度： P ＝ P 转向 ＋P 变形 = P 转向 ＋P 电子 ＋P 原子 (4) d q μ?=2 4μP =πL 9kT 转向 μ
该式适用于完全无序和稀释体系（互相排斥的距离远大于分子本身大小的 体系），即温度不太低的气相体系或极性液体在非极性溶剂中的稀溶液。 在中频场中转向P = 0。则P ＝P 电子 ＋P 原子 （5） 在高频场中原子P =0 则P ＝P 电子 （6） 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P ，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度诱导P ，两者相减得到极性分子的摩尔转向极化度转向P ，然后代人（2）式就可算出极性分子的永久偶极矩μ来。 2、极化度的测定 首先利用稀溶液的近似公式 ()211x αεε+=溶 （7） ()211x βρρ+=溶 （8） 再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度的公式 ()1 1 2111 1 211 20 22123lim 2ρβεερεαεM M M P P P x -? +-+ ? += ==→∞ （9） 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 ε与折光率n 的关系为 2n =ε 因为此时转向P = 0，原子P =0，则 R 2 =电子P = ρ M n n ?+-2122 （10） 在稀溶液情况下也存在近似公式 ()211x n n γ+=溶 （11） 同样，从（9）式可以推导得无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式 电子 P () 1 2211211122121202 2621lim 2ργ ρβ++-?+-===→∞ n M n M M n n R R x （12） 从（2）、（4）、（9）和（12）式可得