实验十五 偶极矩的测定

基本原理
(1)偶极矩与极化度  分子结构可以近似地看作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。
1912年德拜提出“偶极矩”μ其定义是.       (10.1)
极性分子具有永久偶极矩,但由于分子的热运动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,分子趋向电场方向排列。其极化的程度可用摩尔转向极化度P转向来衡量。
P转向与永久偶极矩μ2的值成正比,与绝对温度T成反比:
      (10.2)
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。可分为两项,电子极化度P电子和原子极化度P电子: 
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:       (15.3)
(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:
   (15.4)
式中,M为被测物质的分子量;ρ为该物质的密度;ε可以通过实验测定。
无限稀释时,溶质的摩尔折射度的公式:
  (15.5)
式(15-10)、(15-11)中,n溶是溶液的折射率;n1是溶剂的折射率;γ是与n溶~x2直线斜率有关的常数。
(3)偶极矩的测定??? 考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5%~15%,而且P转向又比P原子大得多,故常常忽视原子极化度。
从式(15.2)、(15.3)、(15.7)和(15.11)可得
   (15.6)
上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电常数、密度、折射率联系起来,分子的永久偶极矩就可用下面的简化式计算:  

(4)介电常数的测定??? 介电常数是通过测定电容计算而得的。

实验十六磁化率的测定

实验原理
物质的磁化可用磁化强度M来描述,M也是矢量,它与磁场强度成正比。
    (16.2)
式中Z为物质的体积磁化率。在化学上常用质量磁化率χm或摩尔磁化率χM来表示物质的磁性质。
     (16.3)
  (16.4)
式中ρ、M分别是物质的密度和摩尔质量。
2)分子磁矩与磁化率
磁化率是物质的宏观性质,分子磁矩是物质的微观性质,用统计力学的方法可以得到摩尔顺磁化率χ顺和分子永久磁矩μm间的关系
   (16.6)
式中N0为阿佛加德罗常数;K为波尔兹曼常数;T为绝对温度。
物质的永久磁矩产。与它所含有的未成对电子数n的关系为
    (16.7)
3)磁化率的测定
将装有样品的圆柱形玻管悬挂在两磁极中间,使样品底部处于两磁极的中心。亦即磁场强度最强区域,样品的顶部则位于磁场强度最弱,甚至为零的区域。这样,样品就处于
一不均匀的磁场中,  当样品受到磁场作用力时,天平的另一臂加减砝码使之平衡,设?m为施加磁场前后的质量差,则
  (16.11)
由于 代入(16.10)式整理得
  (16.12)
式中h为样品高度;m为样品质量;M为样品摩尔质量;ρ为样品密度;μ0为真空磁导率。μ0=47π×10-7N/A2