稀溶液法測(cè)定偶極矩

1、華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 化學(xué)（師范） 年級(jí)、班級(jí) 課程名稱 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 稀溶液法測(cè)定偶極矩 實(shí)驗(yàn)類型 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2011 年 11 月 17 日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師 彭彬老師 實(shí)驗(yàn)評(píng)分 1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握溶液法測(cè)定偶極矩的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)2. 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系3. 測(cè)定正丁醇的偶極矩2、 實(shí)驗(yàn)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(lái)度量分子極性的大小，其定義是 式中，q是

2、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(gè)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(jí)為10-10m，電荷的數(shù)量級(jí)為10-20C，所以偶極矩的數(shù)量級(jí)是10-30Cm。通過(guò)偶極矩的測(cè)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(duì)稱性，可以用來(lái)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(yùn)動(dòng)，偶極矩指向某個(gè)方向的機(jī)會(huì)均等。所以偶極矩的統(tǒng)計(jì)值等于零。若將極性分子置于均勻的電場(chǎng)E中，則偶極矩在電場(chǎng)的作用下，趨向電場(chǎng)方向排列。這時(shí)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(lái)衡量。P與永久偶極矩的平方成正比，與絕對(duì)溫度T成反比。 式中，k

3、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(chǎng)作用下，不論極性分子或非極性分子，都會(huì)發(fā)生電子云對(duì)分子骨架的相對(duì)移動(dòng)，分子骨架也會(huì)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(lái)衡量。顯然，P誘導(dǎo)可分為兩項(xiàng)，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(chǎng)是交變場(chǎng)，極性分子的極化情況則與交變場(chǎng)的頻率有關(guān)。當(dāng)處于頻率小于1010HZ的低頻電場(chǎng)或靜電場(chǎng)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(cè)得的摩爾極化度P中分別出P的貢獻(xiàn)呢？介電常數(shù)實(shí)際上是在107HZ一下

4、的頻率測(cè)定的，測(cè)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(lái)不及轉(zhuǎn)向，此時(shí)測(cè)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(jì)算的P中減去紅外線頻率范圍測(cè)得的極化，就等于P，在實(shí)驗(yàn)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(jì)算克勞休斯、莫索和德拜從電磁場(chǎng)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(cè)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，對(duì)某種物質(zhì)甚至根本無(wú)法獲得氣相狀

5、態(tài)。因襲后來(lái)就提出了用一種溶液來(lái)解決這一困難。溶液法的基本想法是，在無(wú)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(shí)相近，于是無(wú)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(duì)于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤?，則 Hedestrand 首先推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式，指出在稀溶液中溶液的介電常數(shù)和密度可以表示為 因此 做1，2-x2圖

6、，根據(jù)式由直線測(cè)得斜率a，截距1；作1,2 -x2圖，并根據(jù)式 由直線測(cè)得斜率b，截距1，代入式得3. 由折光度計(jì)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(cè)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(jì)算出Pe 。4. 介電常數(shù)的測(cè)定介電常數(shù)是通過(guò)測(cè)定電容計(jì)算而得的。如果在電容器的兩個(gè)板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會(huì)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(shì)差就會(huì)減少。設(shè)C0為極板間處于真空時(shí)的電容量，C為充以電解質(zhì)時(shí)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年就解釋了這一現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于電

7、解質(zhì)在電場(chǎng)中極化而引起的。極化作用形成一個(gè)反向電場(chǎng)，因而抵消了一部分外加電場(chǎng)。測(cè)定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測(cè)定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價(jià)格昂貴。本實(shí)驗(yàn)中采用電橋法。實(shí)際所測(cè)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(duì)于給定的電容池，必須先測(cè)出其分布電容 Cx?？梢韵葴y(cè)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(cè)得其電容C標(biāo) 。 C空 = C空 + Cx C標(biāo) = C標(biāo) + Cx 又因?yàn)?標(biāo) = 可得 Cx = C空 C0 = 計(jì)算出 Cx 、C0 之后，根據(jù)式和式可得樣

8、品的介電常數(shù)： 溶 = 5. 偶極矩的計(jì)算 通過(guò)上述步驟分別計(jì)算出 、之后，根據(jù)式可得： 3、 儀器與試劑（1） 儀器 電容測(cè)量?jī)x、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） 試劑正丁醇 分析純環(huán)己烷 分析純丙酮 分析純4、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 溶液配制將四個(gè)干燥的容量瓶編號(hào)，稱量并記錄空瓶重量。在空瓶?jī)?nèi)分別加入0.5mL、1.0mL、1.5mL和2.0mL的正丁醇再稱重。然后加環(huán)己烷至刻度線，稱重。操作時(shí)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(cè)定用阿貝折射儀測(cè)定環(huán)己烷及配制溶液的折射

9、率，注意測(cè)定時(shí)各樣品需加樣兩次，讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)取平均值。3. 介電常數(shù)的測(cè)定本實(shí)驗(yàn)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(cè)量?jī)x，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄空氣的電容值。分別測(cè)量純環(huán)己烷和配制的4個(gè)樣品溶液的電容，記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)。每個(gè)樣品測(cè)量?jī)纱危?jì)算時(shí)取平均值。測(cè)量一個(gè)樣品后，需用濾紙把殘留樣品吸干，才能繼續(xù)性測(cè)量。 五、數(shù)據(jù)處理1. 數(shù)據(jù)處理1 溶液摩爾分?jǐn)?shù)x的計(jì)算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。3 計(jì)算環(huán)己烷的介電常數(shù)，求出電容池的分布電容Cx。4 計(jì)算溶液的介電常數(shù)。5 繪制-x2

10、 工作曲線，由直線測(cè)得斜率a，截距1。6 繪制作1,2 -x2 工作曲線，由直線測(cè)得斜率b，截距1 。7 計(jì)算，計(jì)算Pe 。8 計(jì)算P，計(jì)算偶極矩。乙酸乙酯C4H9OH,分子量: 88 環(huán)己烷C6H12,分子量: 840.5ml1.0ml1.5ml2.0ml空瓶(g)21.2938 18.5817 19.1104 20.9503 空瓶+乙酸乙酯(g)21.7391 19.4782 20.4385 22.7375 空瓶+乙酸乙酯+環(huán)己烷(g)40.5243 37.8636 38.5058 40.2352 溶液中乙酸乙酯質(zhì)量(g)0.4453 0.8965 1.3281 1.7872 溶液中乙酸乙

11、酯爾數(shù)(mol)0.0051 0.0102 0.0151 0.0203 溶液中環(huán)己烷質(zhì)量(g)18.7852 18.3854 18.0673 17.4977 溶液中環(huán)己烷摩爾數(shù)(mol)0.2236 0.2189 0.2151 0.2083 乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x20.0221 0.0445 0.0656 0.0888 溶液質(zhì)量(g)19.2305 19.2819 19.3954 19.2849 溶液密度(g/ml)0.7692 0.7713 0.7758 0.7714 折光率測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：環(huán)己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mlnI1.42161.42041.41911.41821.417

12、3nII1.42181.42061.41911.41811.4173n平均1.42171.42051.41911.41821.4173n1,2x2環(huán)己烷1.42170.00000.5ml1.42050.02211.0ml1.41910.04451.5ml1.41820.06562.0ml1.41730.0888根據(jù)最小二乘法求得斜率和截距為：-0.0504 1.4216 相關(guān)系數(shù)：0.9899電容測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)空氣電容(PF)：0 溫度（）：27.1環(huán)己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mlC1 (PF)2.28 2.28 2.43 2.61 2.87 C2 (PF)2.32 2.26 2.

13、43 2.60 2.85 C平均(PF)2.30 2.27 2.43 2.61 2.86 環(huán)己烷介電常數(shù)： =2.01164 Cx=-2.27 C0=2.27根據(jù) 求得各溶液的介電常數(shù)介電常數(shù)x20.5ml1.9980.02211.0ml2.0690.04451.5ml2.1460.06562.0ml2.2580.0888根據(jù)最小二乘法求得斜率和截距為：3.8719 1.9038 相關(guān)系數(shù)：0.9898密度(g/ml)x20.5ml0.7692 0.0221 1.0ml0.7713 0.0445 1.5ml0.7758 0.0656 2.0ml0.7714 0.0888 根據(jù)最小二乘法求得斜率和截距為：