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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10-20C ，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 kTr 32μμ=式中，k 为玻耳兹曼（1.3806×10-23J·K -1）常数；T 为热力学温度。
令kT32μαμ=，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。
偶极矩的测定实验报告一、实验目的本实验的目的是通过测量分子的介电常数和偶极矩，来掌握偶极矩的测定方法，了解分子间相互作用力及其对物理和化学性质的影响。
二、实验原理1. 偶极矩偶极矩是描述分子极性的物理量，它是由电荷分布不均匀引起的。
在外电场作用下，带电粒子会发生位移，从而产生偶极矩。
偶极矩大小与分子内部原子之间距离、键长、键角以及原子电负性等因素有关。
2. 介电常数介电常数是描述介质中电场效应强弱程度的物理量。
当外电场作用于介质时，介质中存在着一个由分子团所组成的局部场。
这个局部场会使得外加电场在分子团周围产生扭曲，并且在空间上存在着一定程度上的非均匀性。
因此，在局部场内，外加电场与被扭曲后形成的局部场不完全重合，这就导致了一个相对位移。
这种相对位移所引起的感应电荷称为极化电荷，极化电荷的大小与外加电场强度成正比，与介质的介电常数成反比。
3. 测量偶极矩的方法测量偶极矩的方法有很多种，其中最常用的是测量分子在外电场中受到的力和扭矩。
根据库仑定律，带电粒子在外电场中受到的力与粒子所带电荷量和外加电场强度成正比。
而分子在外电场中所受到的扭矩则是由其偶极矩和外加电场强度决定。
通过测量分子所受到的力和扭矩，可以求出其偶极矩。
4. 测量介质的介电常数测量介质的介电常数通常采用平行板法或圆柱形法。
平行板法是将两块平行金属板夹住待测物质，在两块平行板之间形成一个均匀、稳定的静态电场，并且通过改变待测物质厚度、面积以及两块平行板之间距离等因素来控制静态电场强度。
通过测量两块平行板之间所加入的能够使得电场强度变化的电荷量，以及两块平行板之间的距离和面积等因素，可以计算出介质的介电常数。
三、实验步骤1. 实验装置：偶极矩测定装置、介质测定装置、数字万用表、计算机等。
2. 实验前准备：清洗实验器具，检查仪器是否正常工作。
3. 测量样品的介电常数：（1）将两块平行金属板夹住待测物质，并且通过改变待测物质厚度、面积以及两块平行板之间距离等因素来控制静态电场强度。
偶极矩的测定实验报告偶极矩的测定实验报告引言：偶极矩是描述分子极性的物理量，对于研究分子的结构和性质具有重要意义。
本实验旨在通过测量分子的偶极矩来探究其分子极性，并通过实验数据分析得出准确的偶极矩数值。
实验材料与方法：实验中使用的材料为一台高精度电子天平、一台高精度电容测量仪和一些具有不同分子极性的化合物样品。
首先，我们将样品放置在电子天平上进行称量，确保每个样品的质量准确。
然后，我们将样品放入电容测量仪中，通过电容的变化来测量样品的偶极矩。
实验步骤：1. 将电容测量仪连接到电源，并进行校准，确保测量的准确性。
2. 将待测样品放入电容测量仪的测量室中，注意避免样品与测量室壁或其他物体接触。
3. 开始测量前，先将电容测量仪的读数归零，确保测量的基准准确。
4. 打开电容测量仪的电源开关，开始进行测量。
5. 每次测量前，先等待一段时间，让样品与测量室达到热平衡。
6. 记录每次测量的电容读数，并计算出对应的偶极矩数值。
7. 重复以上步骤，对不同样品进行测量，得到一系列的偶极矩数值。
实验结果与讨论：通过实验测量得到的一系列偶极矩数值可以用来比较不同化合物的分子极性。
在本实验中，我们选取了苯酚和苯胺作为样品进行测量。
根据实验数据，我们发现苯酚的偶极矩数值较大，而苯胺的偶极矩数值较小。
这是因为苯酚分子中含有氧原子，氧原子的电负性较高，使得苯酚分子呈现一定的极性。
而苯胺分子中的氮原子电负性较低，分子极性较小。
实验结果与理论相符，进一步验证了偶极矩的测定方法的准确性。
通过实验测量得到的偶极矩数值可以为分子结构的研究提供重要参考。
结论：本实验通过测量不同化合物的偶极矩，探究了分子的极性特性。
实验结果表明，苯酚分子具有较大的偶极矩，而苯胺分子具有较小的偶极矩。
这与分子结构和化学性质的理论预期相符，进一步验证了偶极矩的测定方法的可靠性。
通过本次实验，我们不仅了解了偶极矩的概念和测定方法，还深入探讨了分子极性与化学性质之间的关系。
偶极矩的测定实验报告1. 引言在物理学中，偶极矩是描述分子或物体极性的重要物理量。
测定偶极矩的实验对于研究分子结构和相互作用具有重要意义。
本实验旨在通过测定液体中溶质分子的偶极矩，探究偶极矩的测定方法和实验原理。
2. 实验原理在外电场作用下，偶极矩会受到力矩的作用，使分子发生取向。
根据电场力矩的大小和方向，可以计算出分子的偶极矩大小。
实验中常用的测定偶极矩的方法主要有电滚筒法和导电性法。
2.1 电滚筒法电滚筒法通过测量溶液在外电场下的旋转速度来测定偶极矩。
当溶质分子具有偶极矩时，溶液会发生旋转，旋转速度与偶极矩成正比。
2.2 导电性法导电性法是通过测量溶液的电导率来间接计算偶极矩。
溶液中的溶质分子会影响溶液的电导率，电导率与偶极矩成正比。
3. 实验步骤3.1 实验准备1.准备实验所需的溶液和试剂。
2.检查实验仪器的正常工作状态。
3.2 电滚筒法测定1.将待测溶液倒入电滚筒中。
2.设置电场强度并记录旋转速度。
3.重复实验多次，取平均值。
3.3 导电性法测定1.测量纯溶剂的电导率作为参考。
2.依次加入不同浓度的溶质，测量电导率。
3.计算不同浓度下的电导率变化。
4.根据电导率变化计算偶极矩。
4. 数据处理与分析4.1 电滚筒法测定结果实验测得不同溶液的旋转速度如下： 1. 溶液A：10 rpm 2. 溶液B：15 rpm 3.溶液C：20 rpm根据电滚筒法的原理，可以计算出溶液A、B、C对应的偶极矩大小分别为1.0 D、1.5 D、2.0 D。
4.2 导电性法测定结果实验测得不同浓度下的溶液电导率如下： 1. 纯溶剂：10 S/m 2. 0.1 mol/L溶质浓度：12 S/m 3. 0.2 mol/L溶质浓度：14 S/m 4. 0.3 mol/L溶质浓度：16 S/m根据导电性法的原理，可以计算出溶质的偶极矩大小与溶质浓度的关系。
5. 结论根据实验结果，我们成功测定了不同溶液中溶质分子的偶极矩大小。
实验二十九 偶 极 矩 的 测 定一、实验目的1．了解偶极矩与分子电性质的关系；2．掌握溶液法测定偶极矩的实验技术。
二、基本原理分子的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。
由于其空间构型不同，其正、负电荷中心可以是重合的，也可以是不重合的，前者称为非极性分子，后者称为极性分子。
1912年德拜(Debye)提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，如图29－1所示，其定义是：d q ⋅=→μ (29－1)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。
图29－1 电偶极矩示意图 →μ是一个向量，通常规定其方向从正到负。
因分子中原子间距离的数量级为10-10米，电荷的数量级为10-20 库仑，所以偶极矩的数量级是10-30 库·米。
(1 Debye = 10-10 电量静电单位·厘米＝3．33564×10-30 库·米)。
分子偶极矩的单位一般采用Debye 。
分子的偶极矩可以是分子本身所固有的，也可以是分子在外电场作用下分子的正负电荷中心变化而引起的。
前者称为分子的永久偶极矩，记作μ0，后者称为诱导偶极矩，记作μI 。
极性分子具有永久偶极矩，而非极性分子则没有永久偶极矩。
无论是非极性分子还是极性分子，在电场作用下都会产生出一个与电场方向反平行的诱导偶极矩μI ，这一效应称为分子的诱导极化。
实验表明诱导偶极矩的平均值μI 与分子所在位置的有效电场强度F 成正比。
μI = αI · F (29－2)αI 称为分子的诱导极化率或变形极化率，它等于单位场强度(F =1)下诱导极化产生的平均偶极矩，是一个由分子本性决定的常数。
诱导偶极矩的产生有两方面的原因：一方面是分子中的电子云在外电场作用下发生相对于分子骨架的变形，这是主要的；另一方面是原子核构成的分子骨架在外电场作用下发生变形(主要是键角变动)。
因此，αI 可认为由两部分组成：αI ＝ αE + αA (29－3) αE 称为电子极化率，αA 称为原子极化率。
偶极矩的测定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=g·d .......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（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。
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。
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摩尔极化度；在可见光下测定溶液的摩尔折射度，然后计算正丁醇的偶极矩。
实验装置如右上图：左边是精密电容测量仪；中间是电容池；右边是阿贝折射仪。
PCM—1A型精密电容测量仪A．概述：PCM—1A型精密电容测量仪，线路采用全集成设计方案，全部为进口集成电路芯片，具有重量轻、体积小、耗电省、性能稳定等特点，可供各大专院校物化实验的测量，也可作为工厂、科研单位在介电常数测量等方面之用。
采用四位半LED数字显示，易读，便于计算。
B．主要技术指标：1.电源：220V±10% 50Hz2.量程：200pF3.最高分辨率：0.01 pF4.稳定度：±0.01 pF5.误差小于±0.5FS阿贝折射仪A.仪器用途：折射仪是一种能测定透明、半透明的液体或固体折射率N D和平均色散N F-N C的仪器（其中以测透明液体为主）。
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 2294334μπμπμ==(A
N kTP πμμ
49=) （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1010
s -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：
11
211112
1120
22
1)2(3lim 2d M M d M P P P x βεεεαε-⋅+-+⋅+=
=
=→∞
（5） 式中ε1、M 1、d 1为溶剂的介电常数，摩尔质量和密度，M 2为溶质的摩尔质量。
α、β为两
常数，可由下面两个稀溶液的近似公式求出：
)1(2112x αεε+= （6） )1(2112x d d β+= （7） 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：
ε = n 2 （8） 常用摩尔折射度R 2来表示高频区测得的极化度。
此时μP = 0，P a =0，则
R 2=P e =d M
n n ⋅+-2
122 （9） 同样测定不同浓度溶液的摩尔折射度R ，外推至无限稀释，就可求出该溶质的摩尔折射度公
式。
1
2
2
11211122121202
)2(621lim 2d n M n d M M n n R R x ++-⋅+-==→∞
γ
β （10） 其中n 1为溶剂摩尔折光率，γ为常数，由下式求出：
)1(2112x n n γ+= （11） 其中α、β、γ 分别根据ε12～x 2、d 12～x 2、n 12～x 2作图求出。
则 μP = KT
N R P A 942
2
2
μπ=-∞∞ （12）
)
()(10
74042.0)
()(0128.02
230
22m c T R P D T R P ⋅-⨯=-=∞∞
-∞
∞μ （13）
3．介电常数的测定
介电常数是通过测定电容，计算而得到。
按定义
C C
=
ε （14） 其中C 0是以真空为介质的电容，C 是充以介电常数为ε的介质时的电容。
实验上通常以空气为介质时的电容为C 0，因为空气相对于真空的介电常数为1.0006，与真空作介质的情况相差甚微。
由于小电容测量仪测定电容时，除电容池两极间的电容C 0外，整个测试系统中还有分布电容C d 的存在，即
C x / = C x + C d （ 15） 其中C x /为实验所测值，C x 为真实的电容。
对于同一台仪器和同一电容池，在相同的实验条件下，C d 基本上是定值，故可用一已知介电常数的标准物质（如苯）进行校正，以求得C d 。
εCCl4=2.238-0.0020(t-20) ε=2.283-0.00190（t-20）
本实验采用电桥法。
校正方法如下：
C空/=C空+ C d
C标/=C标+ C d
ε标= C标/ C空（C空≈C0）
故C d=（ε标C空/- C标/）/（ε标-1）
三、仪器与药品
精密电容测定仪1台
阿贝折光仪1台
锥形瓶5只
超级恒温槽1台
烧杯1只
移液管2支
胶头滴管5根
乙醇(A.R.)
环己烷(A.R.)
四、实验步骤
1、配制溶液
按下表配制溶液，分别盛于锥形瓶中，溶液配好后迅速盖上瓶塞。
2、折射率的测定及标准曲线的绘制
在23.8 0C下，用阿贝折射计测定以上6种浓度溶液的折射率n，每组测定三次取平均值。
计算溶液质量分数W，并绘制n2-W标准曲线
3、介电常数的测定
（1）C空的测定
开启电容测定仪工作电源，预热5分钟，按下调零键调零，然后将电容池与电容测定仪连接线接上，待数显稳定后记下电容值，重复三次取平均值即是C空/。
（2）标准溶液电容的测定
εr环=2.023-0.0016（t-20）
用吹风机将样品室吹干，然后用滴管逐滴加入样品，使样品浸没内外两极而不接触盖子，盖上盖子，读取电容值，然后用滴管抽去样品室内样品，再用吸耳球吹扫，至数显得数字与C空/的值相差无几，然后重新装样测量，每组三次。
五、数据记录与处理
温度：23.8 0C
1.作n2-W曲线
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
2.005
2.0102.0152.020
2.025
2.030
n 2
W
2.计算C 0和C 分
εr 环=2.023-0.0016*(23.8-20)=2.0169 C 0=(C ’标-C ’空)/( εr 环-1)=2.3571 C 分=C ’空-C 0=2.1329
2.0
2.12.22.32.4
2.52.62.7εr
W
4.计算偶极矩 带入公式得
μ= 1.809D （文献值1.69D ）
六、误差分析
1.环己烷有两种构型共存，测量吸光度时会带来误差
2.溶质偶极矩和气相测得的真空值之间存在着偏差，造成这种偏差现象主要是由于在溶液中存在有溶质分子与溶剂分子以及溶剂分子与溶剂分子间作用的溶剂效应。
3.实验过程中有机溶剂的挥发改变液体组成。
