稀溶液法測定偶極矩

1、華 南 師 范 大 學(xué) 實 驗 報 告 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 化學(xué)（師范） 年級班級 課程名稱 結(jié)構(gòu)化學(xué)實驗 實驗項目 稀溶液法測定偶極矩 實驗類型 驗證 設(shè)計 綜合 實驗時間 2013年10月29日 實驗指導(dǎo)老師 彭彬 實驗評分 【實驗?zāi)康摹?. 掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術(shù)2. 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系3. 測定正丁醇的偶極矩【實驗原理】1 偶極矩與極化度分子結(jié)構(gòu)可以近似地看成是由電子云和分子骨架（原子核及內(nèi)層電子）所構(gòu)成。由于空間構(gòu)型的不同，其正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。1912年，德拜提出“偶極矩”的概念來度量分子極性的大小，

2、其定義是 式中，q是正負(fù)電荷中心所帶的電量；d為正負(fù)電荷中心之間的距離；是一個矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間的距離的數(shù)量級為10-10m，電荷的數(shù)量級為10-20C，所以偶極矩的數(shù)量級是10-30C·m。通過偶極矩的測定，可以了解分子結(jié)構(gòu)中有關(guān)電子云的分布和分子的對稱性，可以用來鑒別幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)等。極性分子具有永久偶極矩，但由于分子的熱運動，偶極矩指向某個方向的機會均等。所以偶極矩的統(tǒng)計值等于零。若將極性分子置于均勻的電場E中，則偶極矩在電場的作用下，趨向電場方向排列。這時稱這些分子被極化了。極化的程度可以用摩爾轉(zhuǎn)向極化度P來衡量。P與永久偶極矩的平方成正比

3、，與絕對溫度T成反比。 式中，k為波茲曼常數(shù)；NA為阿弗加德羅常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；為分子的永久偶極矩。在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子，都會發(fā)生電子云對分子骨架的相對移動，分子骨架也會發(fā)生形變。這稱為誘導(dǎo)極化或變形極化。用摩爾誘導(dǎo)極化度P誘導(dǎo)來衡量。顯然，P誘導(dǎo)可分為兩項，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此 P誘導(dǎo) = Pe + Pa 如果外電場是交變場，極性分子的極化情況則與交變場的頻率有關(guān)。當(dāng)處于頻率小于1010HZ的低頻電場或靜電場中，極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度P是轉(zhuǎn)向極化、電子極化和原子極化的總和。 P = P+ Pe +Pa 如何從測得的摩爾極化度P中分別出P的貢獻(xiàn)呢？

4、介電常數(shù)實際上是在107HZ一下的頻率測定的，測得的極化度為 P+ Pe +Pa。若把頻率提高到紅外范圍，分子已經(jīng)來不及轉(zhuǎn)向，此時測得的極化度只有Pe和Pa的貢獻(xiàn)了。所以從按介電常數(shù)計算的P中減去紅外線頻率范圍測得的極化，就等于P，在實驗上，若把頻率提高到可見光范圍，則原子極化也可以忽略，則在可見光范圍： P =P -( Pe +Pa) P - Pe 2. 摩爾極化度的計算克勞休斯、莫索和德拜從電磁場理論得到了摩爾極化度P與介電常數(shù) 之間的關(guān)系式。 式中，M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量； 為該物質(zhì)的密度； 是介電常數(shù)。但式是假定分子與分子間沒有相互作用而推導(dǎo)得到的。所以它只適用于溫度不大低的氣相體系，

5、對某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。因襲后來就提出了用一種溶液來解決這一困難。溶液法的基本想法是，在無限稀釋的非極性溶劑中，溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)和氣相時相近，于是無限稀釋溶液中的溶質(zhì)的摩爾極化度可以看作是式中的P。在稀溶液中，若不考慮極性分子間相互作用和溶劑化現(xiàn)象，溶劑和溶質(zhì)的摩爾極化度等物理量可以被認(rèn)為是具有可加性。因此，式可以寫成： 式中，下標(biāo)1表示溶劑；下標(biāo)2表示溶質(zhì)；x1表示溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)；x2表示溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；表示溶劑的摩爾極化度；表示溶質(zhì)的摩爾極化度。對于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤瑒t Hedestrand 首先推導(dǎo)出經(jīng)驗公式，指出在稀溶液中溶液的介電常數(shù)和密度可

6、以表示為 因此 做1，2-x2圖，根據(jù)式由直線測得斜率a，截距1；作1,2 -x2圖，并根據(jù)式 由直線測得斜率b，截距1，代入式得3. 由折光度計算電子極化度Pe電子極化度可以使用摩爾折光度R代替，即 根據(jù)測量的溶液折射率n1,2作圖n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式計算出Pe 。4. 介電常數(shù)的測定介電常數(shù)是通過測定電容計算而得的。如果在電容器的兩個板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會增大。如果維持極板上的電荷量不變，那么充電解質(zhì)的電容器兩板間電勢差就會減少。設(shè)C0為極板間處于真空時的電容量，C為充以電解質(zhì)時的電容量，則C與C0的比值稱為該電解質(zhì)的介電常數(shù)： = 法拉第在1837年

7、就解釋了這一現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于電解質(zhì)在電場中極化而引起的。極化作用形成一個反向電場，因而抵消了一部分外加電場。測定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價格昂貴。本實驗中采用電橋法。實際所測得的電容C'樣品包括了樣品的電容C樣品和電容池的分布電容Cx兩部分，即 C'樣品 = C樣品 + Cx 對于給定的電容池，必須先測出其分布電容 Cx?？梢韵葴y出以空氣為介質(zhì)的電容，記為C'空 ，再用一種已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測得其電容C'標(biāo) 。 C'空 = C空 + Cx C'標(biāo) = C標(biāo) + Cx

8、又因為 標(biāo) = 可得 Cx = C'空 C0 = 計算出 Cx 、C0 之后，根據(jù)式和式可得樣品的介電常數(shù)： 溶 = 5. 偶極矩的計算 通過上述步驟分別計算出 、之后，根據(jù)式可得： 【儀器與試劑】（1） 儀器 電容測量儀、25mL容量瓶，移液管、電子天平、阿貝折射儀、滴管、燒杯、洗耳球、干燥器等。（2） 試劑乙酸乙酯 分析純環(huán)己烷 分析純丙酮 分析純【實驗步驟】1. 溶液配制將四個干燥的容量瓶編號，稱量并記錄空瓶重量。在空瓶內(nèi)分別加入0.5mL、1.0mL、1.5mL和2.0mL的乙酸乙酯 再稱重。然后加環(huán)己烷至刻度線，稱重。操作時應(yīng)注意防止溶質(zhì)、溶劑的揮發(fā)以及吸收極性較大的水汽。為

9、此，溶液配好以后應(yīng)迅速蓋上瓶塞，并置于干燥器中。2. 折射率的測定用阿貝折射儀測定環(huán)己烷及配制溶液的折射率，注意測定時各樣品需加樣兩次，讀取數(shù)據(jù)，計算時取平均值。3. 介電常數(shù)的測定本實驗采用環(huán)己烷作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其介電常數(shù)的溫度公式為：環(huán) = 2.023-0.0016(t-20)式中，t為溫度，。打開電容測量儀，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄空氣的電容值。分別測量純環(huán)己烷和配制的4個樣品溶液的電容，記錄測量的數(shù)據(jù)。每個樣品測量兩次，計算時取平均值。測量一個樣品后，需用濾紙把殘留樣品吸干，才能繼續(xù)性測量。 【數(shù)據(jù)處理】1. 數(shù)據(jù)處理1 溶液摩爾分?jǐn)?shù)x的計算乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88環(huán)己烷C6H12,

10、分子量:840.5ml1.0ml1.5ml2.0ml空瓶(g)28.3082 21.5133 20.7063 24.8944 空瓶+乙酸乙酯(g)28.7595 22.4065 22.0572 26.6837 空瓶+乙酸乙酯+環(huán)己烷(g)47.5370 40.7235 40.0304 44.2736 溶液中乙酸乙酯質(zhì)量(g)0.4513 0.8932 1.3509 1.7893 溶液中乙酸乙酯爾數(shù)(mol)0.0051 0.0102 0.0154 0.0203 溶液中環(huán)己烷質(zhì)量(g)18.7775 18.3170 17.9732 17.5899 溶液中環(huán)己烷摩爾數(shù)(mol)0.2235 0.2

11、181 0.2140 0.2094 乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x20.0224 0.0445 0.0669 0.0885 溶液質(zhì)量(g)19.2288 19.2102 19.3241 19.3792 溶液密度(g/ml)0.7688 0.7721 0.7730 0.7752 2 繪制折射率n1,2和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線，并求出斜率c。環(huán)己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mlnI1.4295 1.4275 1.4264 1.4249 1.4235 nII1.4295 1.4275 1.4262 1.4248 1.4234 n平均1.4295 1.4275 1.4263 1.4249 1.423

12、5 n1,2x2環(huán)己烷1.4295 0.0000 0.5ml1.4275 0.0224 1.0ml1.4263 0.0445 1.5ml1.4249 0.0669 2.0ml1.4235 0.0885 根據(jù)最小二乘法求得斜率和截距為：-0.0666和1.4293，相關(guān)系數(shù)為0.99383 計算環(huán)己烷的介電常數(shù)，求出電容池的分布電容Cx。電容測定實驗數(shù)據(jù)空氣電容(PF)：0.01溫度（）：27環(huán)己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mlC1 (PF)2.35 2.32 2.66 2.84 2.99 C2 (PF)2.31 2.29 2.67 2.82 2.99 C平均(PF)2.33 2.31

13、 2.67 2.83 2.99 環(huán)己烷介電常數(shù)：=2.01184 計算溶液的介電常數(shù)。根據(jù) 得Cx=-2.28，C0=2.29根據(jù) 求得各溶液的介電常數(shù)介電常數(shù)x20.5ml2.001 0.0224 1.0ml2.158 0.0445 1.5ml2.230 0.0669 2.0ml2.300 0.0885 5 繪制-x2 工作曲線，由直線測得斜率a，截距1。根據(jù)最小二乘法求得斜率和截距為：4.3887和1.9281，相關(guān)系數(shù)為0.95516 繪制作1,2 -x2 工作曲線，由直線測得斜率b，截距1 。密度(g/ml)x20.5ml0.7688 0.0224 1.0ml0.7721 0.0445

14、 1.5ml0.7730 0.0669 2.0ml0.7752 0.0885 根據(jù)最小二乘法求得斜率和截距為：0.0908和0.7672，相關(guān)系數(shù)為0.94617 計算，計算Pe 。a斜率4.3887b斜率0.09081環(huán)己烷介電常數(shù)1.9281M1環(huán)己烷分子量841環(huán)己烷密度0.7672M2乙酸乙酯分子量88由 得：=204.8832由 得：Pe=21.56698 計算P，計算偶極矩。c斜率-0.0666b斜率0.0908n1環(huán)己烷折光率1.4295n122.0435M1環(huán)己烷分子量841環(huán)己烷密度0.7672M2乙酸乙酯分子量88由 算得=3.0017debye【結(jié)果與討論】1、 查閱文獻(xiàn)知乙酸乙酯的偶極矩為1.78Debye，本實驗測得=3.0017Debye。相對誤差較大。2、 圖像線性關(guān)系較好，誤差主要來源可能是測量中樣品揮發(fā)影響溶液濃度，以及測量電介常數(shù)時溶液用量不一致、儀器不夠穩(wěn)定影響結(jié)果?！舅伎碱}】 1、準(zhǔn)確測定溶質(zhì)摩爾極化度和摩爾折射度時，為什么要外推至無限稀釋？ 答：測定氣相介電常數(shù)和密度在實驗上困難較大，所以提出溶液法來解決這