JY-PCM-1A 介電常數測量儀

一、實驗目的:1.用溶液法測定CHCl3的偶極矩2.了解介電常數法測定偶極矩的原理3.掌握測定液體介電常數的實驗技術二、基本原理:1. 偶極矩與極化度分子結構可近似地被看成是由電子云和分子骨架(原子核及內層電子)所構成的，分子本身呈電中性，但由于空間構型的不同，正、負電荷中心可重合也可不重合，前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。分子極性大小常用偶極矩來度量，其定義為：（1）其中q是正負電荷中心所帶的電荷，d為正、負電荷中心間距離， 為向量，其方向規定為從正到負。因分子中原子間距離的數量級為10-10m，電荷數量級為10-20C，所以偶極矩的數量級為10-30C·m。極性分子具有永.久偶極矩。若將極性分子置于均勻的外電場中，則偶極矩在電場的作用下會趨向電場方向排列。這時我們稱這些分子被極化了。極化的程度可用摩爾定向極化度Pu來衡量。Pu與永.久偶極矩平方成正比，與熱力學溫度T成反比（2）式中k為玻爾茲曼常數，NA為阿伏加德羅常數。在外電場作用下，不論是極性分子或非極性分子，都會發生電子云對分子骨架的相對移動，分子骨架也會發生變形，這種現象稱為誘導極化或變形極化，用摩爾誘導極化度P誘導來衡量。顯然，P誘導可分為兩項，為電子極化和原子極化之和，分別記為Pe和Pa，則摩爾極化度為：Pm = Pe + Pa + Pμ                              （3）對于非極性分子，因μ=0，所以P= Pe + Pa外電場若是交變電場，則極性分子的極化與交變電場的頻率有關。當電場的頻率小于1010s-1的低頻電場或靜電場下，極性分子產生的摩爾極化度Pm是定向極化、電子極化和原子極化的總和，即Pm = Pe + Pa + Pμ。而在電場頻率為1012s-1～1014 s-1的中頻電場下（紅外光區），因為電場的交變周期小，使得極性分子的定向運動跟不上電場變化，即極性分子無法沿電場方向定向，則Pμ= 0。此時分子的摩爾極化度Pm = Pe + Pa。當交變電場的頻率大于1015s-1（即可見光和紫外光區），極性分子的定向運動和分子骨架變形都跟不上電場的變化，此時Pm = Pe。因此，原則上只要在低頻電場下測得極性分子的摩爾極化度Pm，在紅外頻率下測得極性分子的摩爾誘導極化度P誘導，兩者相減得到極性分子的摩爾定向極化度Pu，帶入（2）式，即可算出其永.久偶極矩μ。因為Pa只占P誘導中5%～15%，而實驗時由于條件的限制，一般總是用高頻電場來代替中頻電場。所以通常近似的把高頻電場下測得的摩爾極化度當作摩爾誘導偶極矩。2．極化度和偶極矩的測定對于分子間相互作用很小的體系，Clausius-Mosotti-Debye從電磁理論推得摩爾極化度P于介電常數ε之間的關系為（4）式中：M為摩爾質量，d為密度。上式是假定分子間無相互作用而推導出的，只適用于溫度不太低的氣相體系。但測定氣相介電常數和密度在實驗上困難較大，所以提出溶液法來解決這一問題。溶液法的基本思想是：在稀釋的非極性溶劑的溶液中，溶質分子所處的狀態和氣相時相近，于是稀釋溶液中溶質的摩爾極化度 就可看作為上式中的P，即：（5）式中ε1、M1、d1為溶劑的介電常數，摩爾質量和密度，M2為溶質的摩爾質量。α、β為兩常數，可由下面兩個稀溶液的近似公式求出：（6）（7）根據光的電磁理論，在同一頻率的高頻電場作用下，透明物質的介電常數ε與折光率n的關系為：ε = n2                                        （8）常用摩爾折射度R2來表示高頻區測得的極化度。此時 = 0，Pa=0，則R2=Pe=                              （9）同樣測定不同濃度溶液的摩爾折射度R，外推至稀釋，就可求出該溶質的摩爾折射度公式。（10）其中n1為溶劑摩爾折光率，γ為常數，由下式求出：（11）其中α、β、γ 分別根據ε12～x2、d12～x2、n12～x2作圖求出。則                                                                                                    （12）（13）3．介電常數的測定介電常數是通過測定電容，計算而得到。按定義（14）其中C0是以真空為介質的電容，C是充以介電常數為ε的介質時的電容。實驗上通常以空氣為介質時的電容為C0，因為空氣相對于真空的介電常數為1.0006，與真空作介質的情況相差甚微。由于小電容測量儀測定電容時，除電容池兩極間的電容C0外，整個測試系統中還有分布電容Cd的存在，即Cx/ = Cx + Cd                                       （ 15）其中Cx/為實驗所測值，Cx為真實的電容。對于同一臺儀器和同一電容池，在相同的實驗條件下，Cd基本上是定值，故可用一已知介電常數的標準物質（如苯）進行校正，以求得Cd。εCCl4=2.238-0.0020(t-20)ε苯=2.283-0.00190（t-20）本實驗采用電橋法。校正如下：C空/=C空 + CdC標/=C標 + Cdε標= C標/ C空（C空≈C0）故Cd=（ε標C空/- C標/）/（ε標-1）三、儀器與藥品 配置：PCM-1A 介電常數測量儀1臺，小型電容池，HK-2A恒溫水浴，阿貝折射儀，密度管技術參數：量程：200pF，分辨率：0.01pF ，穩定度：±0.01pF電容測定儀1臺，密度管1只，阿貝折光儀1臺，容量瓶（25ml）5只，注射器（5ml）1支，恒溫槽1臺，燒杯（10ml）5只，移液管（5ml）1支，滴管5根。甲烷(A.R.)；苯(A.R.)。四、實驗步驟1、配制溶液用稱量法配制四種濃度（摩爾分數）0.010、0.050、0.100、0.150左右的甲烷—苯溶液，分別盛于容量瓶中。為了配制方便，先計算出所需甲烷的毫升數，移液。然后稱量配制。算出溶液的正確濃度，操作時注意防止溶質、溶劑的揮發和吸收極性極大的水氣。溶液配好后迅速蓋上瓶塞。配制一定濃度的溶液的：例如配制0.010左右的溶液。首先算出實驗溫度時兩種純液體的密度。由密度公式

根據上式計算：ts = 0oCg/mL   g/mL設配制25ml溶液的體積為V毫升。V=0.2274mlXCHCl3     0.01        0.05     0.10     0.15VCHCl3     0.2274      1.1412   2.2928   3.4551稱量法配制：

2、折射率的測定在25±0.1 0C條件下，用阿貝折射計測定純苯及配制的四種濃度溶液的折射率。由 公式，以n12～X2作圖，從直線的斜率求γ。3、液體密度的測定若無密度管，用比重瓶（可用5ml或10ml容量瓶代替）。①烘干比重瓶,冷卻至室溫，稱重W0②加水至刻度線，稱重W1  ③加各個溶液，稱重W2（注意：加溶液前，一定要吹干）。則被測液體的密度為 以d12～X2作圖，從直線斜率求得β。4、介電常數的測定（1）Cd的測定測空氣和苯的電容C/空和C/苯，由ε苯=2.283-0.00190（t-20）算出實驗溫度時苯的介電常數ε標，代入公式Cd=（ε標C空/- C標/）/（ε標-1）求得Cd。用吸耳球將電容池樣品室吹干，并將電容池與電容測定儀連接線接上，在量程選擇鍵全部彈起的狀態下，開啟電容測定儀工作電源，預熱10分鐘，用調零旋鈕調零，然后按下（20pF）鍵，待數顯穩定后記下，此即是C空/。用移液管量取1mL苯注入電容池樣品室，然后用滴管逐滴加入樣品，至數顯穩定后記下，此即是C/苯。（注意樣品不可以多加，樣品過多會腐蝕密封材料滲入恒溫腔，試驗無法正常進行。）然后用注射器抽去樣品室內樣品，再用吸耳球吹掃，至數顯得數字與C空/的值相差無幾， lt;0.02 pF），否則需再吹。（2）溶液電容的測定按上述分別測定各濃度溶液的C/溶液，每次測C/溶液后均需復測C空/，以檢驗樣品室是否還殘留樣品。① 測C/溶液，則C溶液=C/溶液-Cd②求介電常數 。③由以～X2作圖，從其斜率求出α。五、數據記錄與處理溫度： 19.5 0C         空氣C/空=6.55pF密度公式ds        α         β       γ      適用溫度C6H6       0.9005    -1.0636   -0.0386   -2.213       11～70CHCl3      1.5264    -1.8563   -0.5309   -8.81        -53～55ε苯=2.283-0.00190（t-20）=2.28395Cd=（ε標C空/- C標/）/（ε標-1）C溶液=C/溶液-Cd 

0*號樣品為純苯1.作d12—x2圖，由直線斜率求b值。b=0.5413b=0.48/0.8797=0.54132.作n12—x2圖，由直線斜率求g值。g= -0.04062g= -0.0581/1.5012= -0.0387023.作e12—x2圖，由直線斜率求a值。a=0.8233a=2.1365/2.253=0.94834.由d1、e1、a、b值，求算P2,∞。=53.145.由d1、n1、b、g值，求算R2,∞。=23.136.由P2,∞、R2,∞求算的永.久偶極矩m。=1.199(D)文獻值：1.11~1.22(D)允許：m=1.20±0.10(D)六、實驗注意事項1.苯、易揮發，配制溶液時動作應迅速，以免影響濃度。2.本實驗溶液中防止含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液應透明不發生渾濁。3.測定電容時，應防止溶液的揮發及吸收空氣中極性較大的水汽，影響測定值。4.電容池個部件的連接應注意絕緣。

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