Для этого измеряют емкости конденсаторов с растворами

Санкт-Петербургский Государственный Университет
Информационных Технологий, Механики и Оптики
ОТЧЕТ ПО ХИМИИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИПОЛЬНОГО
МОМЕНТА МОЛЕКУЛЫ
Студент
Сипович В.В.
Группа
1155
Преподаватель Успенская М.В.
Санкт-Петербург, 2007 год
Введение
Цель работы  определение дипольного момента молекулы ацетона,
используя метод разбавленных растворов.
Для этого
измеряют емкости конденсаторов с растворами ацетона в
четыреххлористом углероде и определяют показатель преломления ацетона и
четыреххлористого углерода.
Теоретическая часть
Дипольные моменты позволяют получить информацию о структуре молекул.
Дипольный момент является векторной количественной характеристикой полярности
молекулы. Существование или отсутствие электрического дипольного момента у
молекулы связано с ее симметрией. Если электрические центры тяжести
положительных и отрицательных зарядов совпадают, то такие молекулы неполярны.
Если электрические центры тяжести не совпадают, то в молекуле образуется постоянный электрический диполь  система двух равных по величине и
противоположных по знаку зарядов, разделенных некоторым расстоянием. Такие
молекулы полярны и характеризуются постоянным дипольным моментом.
Эффективный заряд δ возникает в результате перераспределения
электронной плотности при образовании молекулы, он соответствует степени
ионности химической
связи. Зная экспериментальное значение
дипольного
момента, можно рассчитать эффективный заряд:
=  / e  l.
Дипольный момент измеряется в Кл·м, однако практически более удобной
оказалась внесистемная единица измерения – Дебай (Д): 1Д = 3,336·10-30 Кл·м.
Дипольный момент – величина векторная, поэтому результирующий
дипольный момент молекулы есть векторная сумма дипольных моментов связей
внутри молекулы, что определяется ее стрoeниeм.
Коэффициент пропорциональности имеет определенный физический смысл и
называется индукционной (αинд), или деформационной поляризуемостью (αдеф).
Размерность поляризуемости оказывается соответствующей м 3 или см3.
Дальнейший анализ позволил установить, что значение поляризуемости примерно
равно кубу радиуса молекулы, представляемой в виде сферы. Следовательно,
объем молекулы может быть найден как (4π / 3) · αдеф. Тогда общий объем одного
моля молекул будет равен:
ΣVм = (4π / 3) · NА· αдеф.
где NА – число Авогадро.
Деформационная поляризуемость, таким
электронную и атомную составляющие:
αдеф = αэл + αат.
образом,
включает
в
себя
В случае полярной молекулы поляризуемость включает в себя еще и
ориентационную составляющую αор:
α = αдеф + αор = αэл + αат + αор.
2
Если мы имеем дело не с одной молекулой, а с веществом, содержащим моль
(число Авогадро NА) молекул, удобнее оперировать не поляризуемостью, а так
называемой поляризацией вещества в электрическом поле:
PМ = μ · NА / VМ,
где VМ = М / ρ – это мольный объем вещества.
Обнаружилось, что поляризация тоже зависит от напряженности внешнего
электрического поля Е: PМ = [(ε – 1) / 4π] · E . Здесь ε – диэлектрическая
проницаемость вещества. Связь между напряженностями внешнего Е и локального
Елок электрических полей дается соотношением:
Елок = [(ε + 2) / 3] · E.
Комбинируя эти выражения, получаем формулу Клаузиуса-Моссотти для
мольной поляризации вещества:
PМ = [(ε – 1) / (ε + 2)] · VМ = (4π / 3) · NА· α,
или:
PМ = [(ε – 1) / (ε + 2)] · (M / ρ ) = (4π / 3) · NА· α.
Объединяя эти формулы, получаем уравнение, впервые выведенное П.
Дебаем:
PМ = [(ε – 1) / (ε + 2)] · VМ = (4π / 3) · NА · (αэл + αат + μс2 / 3kT).
Уравнение Дебая является точным для разреженных газов и лишь
приближенно выполняется для слабо полярных жидкостей, но практически не
применимо к жидкостям с высокой диэлектрической проницаемостью.
Уравнение Дебая не учитывает взаимодействия между полярными молекулами, поэтому для экспериментального определения дипольного момента молекул
используют метод разбавленных растворов. При разбавлении раствора,
содержащего полярное вещество, например, ацетон (СН3)2СО в неполярном
растворителе (четыреххлористый углерод ССl4), взаимодействие между
молекулами ацетона уменьшается по мере того, как увеличивается расстояние
между ними. Диэлектрические свойства раствора определяют при использовании
этого метода по изменению электрической емкости конденсаторов, заполненных
растворами полярного вещества различной концентрации. При этом емкость конденсаторов возрастает с увеличением содержания полярного вещества.
Дипольный момент молекулы μ может быть найден, в частности, с
использованием метода разделения составляющих поляризации по частоте. Дело в
том, что при низких частотах осцилляции внешнего электрического поля
осуществляются все три вида поляризации (атомная, электронная и
ориентационная). При высоких же частотах, соответствующих частотам колебаний
электромагнитного поля видимого света, проявляется, в основном, только
электронная составляющая поляризации, которая может быть найдена через
показатель преломления молекулярного вещества n по уравнению ЛоренцаЛорентца. Это уравнение выведено для поведения молекул в высокочастотном
поле, приближающемся к частотам колебаний видимого света. В этих условиях
говорят уже не о диэлектрической проницаемости вещества ε, а о его показателе
преломления n, связь между ними дается соотношением Максвелла ε ≈ n 2:
Pэл = RМ = [(n2 – 1) / (n2 + 2)] · VМ = (4π / 3) · NА· αэл,
где Рэл – электронная поляризация вещества, RМ – мольная рефракция, VМ –
мольный объем, NА – число Авогадро, αэл – электронная поляризуемость молекулы.
3
Вычитая поляризацию при высоких частотах, найденную по уравнению
Лоренца-Лорентца, из поляризации при низких частотах по уравнению КлаузиусаМоссотти, можно определить ориентационную составляющую общей поляризации.
Рор = (4π / 3) · NА · (μс2 / 3kT),
а затем вычислить дипольный момент молекулы μс.
Описание работы
Порядок выполнения работы
1) Используя методические указания, под руководством лаборанта ознакомиться
с работой на приборах.
2) Измерить емкости конденсаторов, заполненных растворами ацетона с
концентрацией Х2 (мольная доля) в неполярном растворителе с
концентрацией Х1 (мольная доля) .
3) Измерить показатели преломления чистых ацетона n2 и четыреххлористого
углерода n1 на рефрактометре Аббе.
4) Рассчитать диэлектрическую проницаемость изучаемых растворов  ацетона
в четыреххлористом углероде по формуле:
(1 – 1)·(Сх – Со)
 = 1 + — ,
С1 – Со
где 1 = 2,23 – диэлектрическая проницаемость четыреххлористого углерода;
Сх – емкость конденсатора с раствором полярного вещества (ацетона) в
неполярном растворителе (четыреххлористом углероде);
Со - емкость "пустого" (без жидкости) конденсатора;
С1 - емкость конденсатора, наполненного чистым
растворителем
(четыреххлористым углеродом).
5) Полученные экспериментальные данные занести в таблицу 6.
4