溶液法測定極性分子的偶極距

1、化學(xué)實驗教學(xué)中心實驗報告化學(xué)測量與計算實驗實驗名稱：溶液法測定極性分子的偶極距學(xué)生姓名：學(xué)號：院 （系）：年級： 級 班指導(dǎo)教師：研究生助教：實驗日期： 2017.05. 交報告日期： 2017.05.一、實驗?zāi)康?. 用溶液法測定正丁醇的偶極矩；2. 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系；3. 掌握溶液法測定偶極矩的實驗技術(shù)。二、實驗原理1. 偶極矩與摩爾極化度體系的偶極矩定義為： ?= q ×?分子的偶極距可以是分子本身所固有的，也可以是在外電場作用下分子的正負(fù)電荷中心發(fā)生變 化而引起的。前者成為分子的永久偶極距，記為?0?； 后者稱為分子的誘導(dǎo)偶極距，記為 ?1? 。將極性分子至于靜電

2、場或低頻電場中，外電場使得極性分子克服熱運(yùn)動，其永久偶極矩在電場作用下趨于電場方向排列，呈現(xiàn)為平均偶極矩。分子極化用摩爾定向極化度?定向 來衡量= 4 ? ? ?20 = 4?023?3? 9?原子、電子極化統(tǒng)稱誘導(dǎo)極化，誘導(dǎo)偶極矩用摩爾誘導(dǎo)極化度?誘導(dǎo) 來衡量。極性分子所產(chǎn)生的 摩爾極化度 ?是 摩爾定向極化度和摩爾誘導(dǎo)極化度的總和，即?= ?定向 + ?誘導(dǎo) = ?定向 + ?電子 + ?原子在高頻電場下，極性分子的定向運(yùn)動跟不上電場的變化，電子仍可以沿電場定向（電子質(zhì)量很小，慣性小），此時 ?定向 = 0。因此先在高頻電場下測得極性分子的摩爾電子誘導(dǎo)極化度?電子 ，再在低頻電場下測得極性

3、分子的摩爾極化度?，兩者相減就可以得到分子的摩爾定向極化度?定向 。（忽 略極性分子的摩爾原子極化率 ?原子 ）2. 溶液法測定偶極矩 在無限稀釋的非極性溶劑的溶液中，溶質(zhì)分子之間的分子作用力可以忽略不計，所處的狀態(tài)和 氣態(tài)時相近，其摩爾極化度 P2可以看作是 P。無限稀釋時溶質(zhì)的摩爾極化度的公式為?= ?23?1? ?1 ?1?- 1 ?2 - ?1? = ?l?i2m0?2? = (?1 + 2)2 ?1 + ?1?+ 2?1?根據(jù)光的電磁理論，在同一頻率的高頻電場作用下，透明物質(zhì)的介電常數(shù)與光的折射率 n 的關(guān)系為： =2n。可用無限稀釋時溶質(zhì)的摩爾折射度?2 表示高頻區(qū)測得的摩爾極化度

4、，因為此時?定向 = 0， ?原子 = 0，?電子 = ?26?1?2 ?1? ?12 -1 ?2 -?1?l?i2m0?2 = (?12+2) 2 ?1 + ?21+2?1?2、?2與溶劑和溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量、摩爾分?jǐn)?shù)、密度、介電常數(shù)、折射率等有關(guān)。 有稀溶液的近似公式：?溶? = ?1?( 1 + ?2?) ，?溶 = ?1?(1 + ?2 )? ，?溶 = ?1(1- ?2?)?以上物理量可通過測量溶液的相關(guān)物理量后，進(jìn)一步由直線關(guān)系得到。由公式 ?定向 = ?2- ?2= 94 ? ?0?，可得分子的永久偶極距 ?0?= 0.0128 ( ?2? - ?2)T三、實驗用品1. 儀器：阿貝折

5、光儀 1 臺；比重管 1 只；電容測量儀 1 套；電子天平一臺； 25ml 容量瓶 4 支；25ml、 5ml、 1ml 移液管各一支；滴管 5 只；5ml 針筒一支；針頭一支；洗耳球 1 個；2. 試劑：正丁醇（分析純）；環(huán)己烷（分析純）；蒸餾水；丙酮。四、實驗步驟1. 溶液的配制配制 4 種濃度的正丁醇環(huán)己烷溶液，正丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.05、 0.10、0.15、 0.20。操作時應(yīng)注意防止溶質(zhì)和溶劑的揮發(fā)以及吸收極性較大的水汽，為此，溶液配好后應(yīng)迅速蓋好瓶蓋。2. 折光率的測定在恒溫（ 25±0.1 ）條件下用阿貝折光儀測定環(huán)己烷和各配制溶液的折光率。測定時各樣品需 加樣

6、3 次，每次讀取 1 個數(shù)據(jù)，取平均值。3. 介電常數(shù)的測定（1）先接好介電常數(shù)測量儀的配套電源線，打開電源開關(guān)，預(yù)熱5min ；用配套測試線將數(shù)字電常數(shù)測量儀與電容池連接起來；待顯示穩(wěn)定后，按下“采零”鍵，以清除儀表系統(tǒng)零位漂移，屏幕顯 示“ 00.00”。（2）電容 C0 和 Cd 的測定：采用環(huán)己烷為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其介電常數(shù)的溫度公式為：?標(biāo)? = 2.023 - 0.0016（?- 20） ，式中， ?為 恒溫溫度（） 。用電吹風(fēng)將電容池加樣孔吹干，旋緊蓋子，將電容池與介電常數(shù)測量儀接通。讀取介電常數(shù) 測量儀上的數(shù)據(jù)。重復(fù) 3 次，取平均值。用移液管取 2 mL 純環(huán)己烷加入電容池的加樣孔

7、中，蓋緊 蓋子，同上方法測量。倒去液體，吹干，重新裝樣，用以上方法再測量兩次，取3 次測量平均值。（3）溶液電容的測量：測定方法與環(huán)己烷的測量方法相同。每個溶液重復(fù)測定3 次。3 次數(shù)據(jù)的 差值應(yīng)小于 0.05 pF，否則要繼續(xù)復(fù)測。所測電容讀數(shù)取平均值，減去，即為溶液的電容。由于溶液易揮發(fā)而造成濃度改變，故加樣時動作要迅速，加樣后迅速蓋緊蓋子。4. 溶液密度的測定取干凈的比重管（如右圖所示）稱重m0。然后用針筒注入已恒溫的蒸餾水， 定容，先蓋緊 a端的蓋子， 再蓋緊 b 端的蓋子 （注 意：千萬不要把順序弄錯！取下蓋子時順序相反） ，確定比重管外 壁是干燥的以后，稱重，記為 m1。將比重管液

8、體回收，用丙酮清 洗并吹干。 用同樣的方法稱量環(huán)己烷及各溶液， 記為 m2 。則環(huán)己 烷和各溶液的密度為：?25 = 0.99707 ?2 - ?0? ，?1 - ?0 ?水 ，5. 清洗、整理儀器 上述實驗步驟完成后，確認(rèn)實驗數(shù)據(jù)的合理性。確認(rèn)完畢，將剩余的溶液回收，將容量瓶、比 重管、針筒洗凈、吹干。整理實驗臺，儀器恢復(fù)實驗前的擺放。五、實驗數(shù)據(jù)處理1. 溶液的配制環(huán)己烷的摩爾質(zhì)量為 ?環(huán) = 84.16 g?，?密度為 ?環(huán) = 0.778 g?；?正丁醇的摩爾質(zhì)量為 ?正 = 74.12 g?，?密度為 ?正 = 0.808 g?。? 計算可得，不同摩爾分?jǐn)?shù)的正丁醇 -環(huán)己烷溶液中，應(yīng)

9、加入正丁醇、環(huán)己烷的體積為：號 標(biāo)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù) x2正丁醇的體積（ mL ）環(huán)己烷的體積（ mL ）10.051.0723.9320.102.1522.8530.153.3621.6440.204.3720.632. 計算 ?、?以及各溶液的 ?溶，求出各溶液的介電常數(shù) ?溶?，作 ?溶 - ?圖，由直線斜率求 ?值 ， 并外推得到 ?。實驗數(shù)據(jù)記錄如下：= 2.023 -?標(biāo) -?空 ?0?= 標(biāo) 空 ?0?= ?標(biāo)-16.67- 4.782.015-1 = 1.86 ；0.0016 (?- 20) = 2.023 - 0.0016 (25.2 - 20) = 2.015?= ?空 - ?

10、0 = 4.78 - 1.86 = 2.92?溶 ?溶 - ? ?溶 - 2.92?溶? = ?0 =?0= 1.86測量次數(shù)第1次第3次第3次平均值介電常數(shù) ?溶?空4.784.784.784.78?標(biāo)(?環(huán))6.676.676.676.67?溶0.056.966.936.936.942.1610.106.967.407.377.242.3240.157.667.667.687.672.5520.208.278.248.188.232.855實驗室溫度 t = 25.2 各溶液的介電常數(shù) ?溶? 見上表。作 ?溶? - ?2?圖如下：溶?2圖y= 4.62x+ 1.8955R2 = 0.98

11、19溶/pF /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式/通用格式/通用格式/通用格式/通用格式/通用格式 /?通?2用格式由趨勢線方程 y = 4.62x + 1.8955 可得?溶? = ?1?( 1 + ?2?) = ?1?2 + ?1?= 4.62?2 + 1.90所以， ?1?= 1.90 ，?1?= 4.62 ，從而可以推出 ?= 2.43。3. 計算純環(huán)己烷以及各溶液的密度，作?溶 - ?圖，由直線斜率求 ?值 ，并外推得到 ?；溶液環(huán)己烷?20.050.100.150.20m0(g)72.1203m1(g)76.5

12、963m2(g)75.588975.502675.519775.523875.5407溶液密度 ?溶 （ g/cm3）0.772660.753440.757250.758160.76193數(shù)據(jù)記錄如下：? ?，? -?根據(jù)公式 ?溶= ?21-? 00 ?水，?水?25 = 0.99707計算純環(huán)己烷以及各溶液的密度，見上表。根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作 ?溶 - ?2圖如下：?溶/(g/?3)?溶?2圖由趨勢線方程 y = 0.0528x + 0.7511 可得?溶= ?1?(1+ ?2?) = ?1?2 + ?1= 0.0528?2 + 0.7511所以， ?1 = 0.7511 ， ?1?= 0.0

13、528 ，從而可以推出 ?= 0.0703 。4. 作 ?溶 - ?圖，由直線斜率求 ?值 ，并外推得到 ?；?溶/ 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / 通用格式?溶?2圖y = -0.0302x +1.4241R2 = 0.9942/通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 / 通用格式 / 通用格式 / ?通2?用格式數(shù)據(jù)記錄如下：折光率 ?溶測量次數(shù)第1次第3次第3次平均值?2?0.051.42281.42271.42261.42270.101.42101.42101.

14、42091.42100.151.41941.41951.41941.41940.201.41821.41821.41821.4182根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作 ?溶 - ?2圖如下：由趨勢線方程 y = -0.0302x + 1.4241 可得?溶 = ?1(1- ?2?)?= - ?1?2? + ?1 = -0.0302? 2 + 1.4241所以， ?1? = 1.4241 ， - ?1?= -0.0302 ，從而可以推出 ?= 0.0212 。5. 將 ?、 ?、 ?、?、?、 ?代 入公式，求 ?、? ?；?1?1?1?1 = ?環(huán)?2 = ?正1.900.75111.42412.430.070

15、30.021284.16 g?74.12 g? ?2= ?l?2im0?2 =3?1? ?1 ?1?- 1?2 - ?1?(?1?+ 2)2 ?1? + ?1?+ 2?1?3 ×2.43 × 1.9084.16(1.90 + 2)2 ×0.75111.90 - 1 74.12 - 0.0703 ×84.160.7511+ 1.90+ 2× = 122.996?12? ?1? ?21 - 1?2 - ?1?111 2 1?2 = lim ?2 = 22?20 2 (?12 +6 ×2.43 × 1.4241 2 84.16 &

16、#215; 0.0212( 1.4241 2 + 2)2 × +0.75116. 將 ?、?代入求正丁醇分子的永久偶極距T= t+ 273.25 =2)2 ?1 + ?21 + 21.4241 2 - 11.4241 2 + 2?。25.2 + 273.15?174.12 - 0.0703 ×84.16× = 53.480.7511= 298.35 K?0?= 0.0128(?2? - ?2) T = 0.0128 ×(122.99 - 53.48 ) ×298.35 = 1.84六、實驗注意事項1. 每次測定前要用冷風(fēng)將電容池吹干，并重測，與

17、原來的值相差應(yīng)小于 0.05 pF。嚴(yán)禁用熱風(fēng)吹樣 品室；2. 測樣時，操作應(yīng)迅速，池蓋要蓋緊，防止樣品揮發(fā)和吸收空氣中極性較大的水汽。3. 要反復(fù)練習(xí)差動電容器旋鈕、靈敏度旋鈕和損耗旋鈕的配合使用和調(diào)節(jié)， 在能夠正確尋找電橋 平衡位置后，再開始測定樣品的電容。4. 注意不要用力扭曲電容儀連接電容池的電纜線，以免損壞。七、思考與討論正丁醇偶極矩的文獻(xiàn)值為： 1.66 Debye，實驗測定值為 1.84 Debye，因此實驗測定存在一定的 誤差，有待改善。1實驗誤差主要來源：（1）介電常數(shù)的測定時，測定介電常數(shù)的儀器穩(wěn)定性較差，測量時由于環(huán)境的擾動，數(shù)據(jù)浮動 較大；（2）溶質(zhì)的揮發(fā)：由于正丁醇和環(huán)己烷都極易揮發(fā)，而在實驗中很難避免不與空氣接觸，所以 就會導(dǎo)致濃度發(fā)生改變；（3）密度的測量過程中，由于對比重管標(biāo)記重合時的全性，產(chǎn)生誤差；（4）溶液中溶質(zhì)分子和溶劑分子以及溶劑和溶質(zhì)各分子間相互作用的溶劑效應(yīng)。 改進(jìn)辦法是：濃度梯度變小，測多組的不同濃度下的數(shù)據(jù)，從而擬合得到更可靠的數(shù)據(jù)。 2配成稀溶液的原因： 在無限稀釋的非極性溶劑的溶液中，溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)和氣態(tài)時相近，于是無限稀釋的溶 液中就可以使用如下稀溶液的近似公