稀溶液法測定偶極矩

1、華南師范大學實驗報告學生姓名 學 號 專 業(yè) 化學（師范） 年級、班級 課程名稱 物理化學實驗 實驗項目 稀溶液法測定偶極矩 實驗類型 實驗時間 2011 年 11 月 17 日實驗指導老師 彭彬老師 實驗評分 1、 實驗目的1. 掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術2. 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關系3. 測定正丁醇的偶極矩2、 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，其定義是 式中，q是

2、正負電荷中心所帶的電量；d為正負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。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10-30Cm。通過偶極矩的測定，可以了解分子結(jié)構(gòu)中有關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，與絕對溫度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，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此 P誘導 = 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。當處于頻率小于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的貢獻呢？介電常數(shù)實際上是在107HZ一下

4、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得到的。所以它只適用于溫度不大低的氣相體系，對某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀

5、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為是具有可加性。因此，式可以寫成： 式中，下標1表示溶劑；下標2表示溶質(zhì)；x1表示溶劑的摩爾分數(shù)；x2表示溶質(zhì)的摩爾分數(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，可以假設溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤瑒t Hedestrand 首先推導出經(jīng)驗公式，指出在稀溶液中溶液的介電常數(shù)和密度可以表示為 因此 做1，2-x2圖

6、，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年就解釋了這一現(xiàn)象，認為這是由于電

7、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。可以先測出以空氣為介質(zhì)的電容，記為C空 ，再用一種已知介電常數(shù)的標準物質(zhì)，測得其電容C標 。 C空 = C空 + Cx C標 = C標 + Cx 又因為 標 = 可得 Cx = C空 C0 = 計算出 Cx 、C0 之后，根據(jù)式和式可得樣

8、品的介電常數(shù)： 溶 = 5. 偶極矩的計算 通過上述步驟分別計算出 、之后，根據(jù)式可得： 3、 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） 試劑正丁醇 分析純環(huán)己烷 分析純丙酮 分析純4、 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的正丁醇再稱重。然后加環(huán)己烷至刻度線，稱重。操作時應注意防止溶質(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

9、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)己烷作為標準物質(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。 五、數(shù)據(jù)處理1. 數(shù)據(jù)處理1 溶液摩爾分數(shù)x的計算2 繪制折射率n1,2和溶液摩爾分數(shù)x2的工作曲線，并求出斜率c。3 計算環(huán)己烷的介電常數(shù)，求出電容池的分布電容Cx。4 計算溶液的介電常數(shù)。5 繪制-x2

10、 工作曲線，由直線測得斜率a，截距1。6 繪制作1,2 -x2 工作曲線，由直線測得斜率b，截距1 。7 計算，計算Pe 。8 計算P，計算偶極矩。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 乙酸乙酯摩爾分數(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 折光率測定實驗數(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 相關系數(shù)：0.9899電容測定實驗數(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：