稀溶液法測定偶極矩實(shí)驗(yàn)報告材料

1、稀溶液法測定偶極矩【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1) 掌握溶液法測定偶極矩的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。(2) 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系。(3) 測定正丁醇的偶極矩。【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)電荷中心可以是重合的，也可以不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。圖1電偶極矩示意圖1912年德拜提出“偶極矩”圖2極性分子在電場作用下的定向的概念來度量分子極性的大小，如圖所示,其定義是是一個向量,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;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

2、-1°m，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(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(yùn)動,偶極矩指向某個方向的機(jī)會均等。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E中，貝M禺極矩在電場的作用下,如圖極化的程度可用摩爾轉(zhuǎn)向極化度2所示趨向電場方向排列。這時我們稱這些分子被極化了口來衡量。P 口與永久偶極矩的卩的平方成正比，與絕對溫度 T成反比。9kT式中：k為玻茲曼常數(shù)，N A為阿伏加德羅常數(shù)。顯然在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子，都

3、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。P誘導(dǎo)可分為二項(xiàng)，即電子極化度 Pe和原子極化度Pa，因此P 誘導(dǎo)=P e+P a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101°Hz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 g+ P e +P a如何從測得的摩爾極化度P中分別出Pu的貢獻(xiàn)呢？介電常數(shù)實(shí)際上是在107Hz以下的頻 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(約 10111014 Hz)，

4、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(jì)算的 P 中減去紅外線頻率范圍測得的極化，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 g =P -( P e +P a)P - P e(2) 摩爾極化度的計(jì)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£1 M式中，M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；p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，對某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。因此后來就提出了用一種溶

5、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液中，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)的摩爾極化度就可以看作是式中的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:£ 21 M iXi M 2X2R,2'丄2 XXiPiX2P2q，十2p,2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)；P表示溶劑的摩爾極化度；P2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?，則0pP1,2 XiPp,2 Xi P

6、iX2X2Hedestra nd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pi,2pibX2因此3a£Mi£ i M 2 bMi£22Pi£2plimX2 0£ax2iM iXiM 2X2£ ixz.Mi£ax22PibX2Xi£ 2PiX2做£1, 2-X2圖，根據(jù)式由直線測得斜率a，截距£1；作pi,2 -X2圖，并根據(jù)式由直線測得斜率b，截距pi,代入式得P2(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，即式中，n為物質(zhì)的折射率；M為物質(zhì)的摩

7、爾質(zhì)量；p為密度。同樣在稀溶液中:ni,2=ni+cx2Pe R2 X2moR22n11 M 2 bM 126ni M icni22Pi2ni22Pi根據(jù)測量的溶液折射率ni,2作圖n i.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)的測定介電常數(shù)是通過測定電容計(jì)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)Co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Co的比值& 稱為該電解質(zhì)的介電常數(shù)：C& = ? Co法拉第在1837年就解釋了這一現(xiàn)

8、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(shí)驗(yàn)中采用電橋法。實(shí)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+ C x?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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測得其電容C'標(biāo)。C'空=C 空 + CxC'標(biāo)=C 標(biāo) + C x又因?yàn)镃o可得C'

9、標(biāo)一C'空Cx = C'空一S標(biāo)一1C'標(biāo)一 C'空 Co =S標(biāo)一 1計(jì)算出Cx、Co之后，根據(jù)式和式？可得樣品的介電常數(shù):C'溶 一 CxCo(5)偶極矩的計(jì)算通過上述步驟分別計(jì)算出 P2、R2之后，根據(jù)式可得:9k P2R2 Tf 4 nN0.128、P2R2 T【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(shí)驗(yàn)步驟】(1) 溶液配制(ME204E )(儀器編號14UC1071 )將四個干燥的容量瓶編號，稱量并記錄空瓶重量。在空

10、瓶內(nèi)分別加入I.OmL、2.0mL、3.0mL和4.0mL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。為此，溶液配好以后應(yīng)迅速蓋上瓶塞。乙酸乙酯C4H9OH,分子量：88表1 :溶液配制1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶(g)21.315519.839819.497221.4736空瓶+乙酸乙酯(g)22.229921.622322.181325.0385空瓶+乙酸乙酯+環(huán)己烷(g)40.620639.230139.034141.0795溶液中乙酸乙酯質(zhì)量(g)0.91441.78252.68413.5649溶液中乙酸乙酯爾

11、數(shù)(mol )0.01040.02030.03050.0405溶液中環(huán)己烷質(zhì)量(g)18.390717.607816.852816.0410溶液中環(huán)己烷摩爾數(shù)(mol )0.21890.20960.20060.1910乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x20.04530.08810.13200.1750溶液質(zhì)量(g)19.305119.390319.536919.6059溶液密度(g/ml )0.77220.77560.78150.7842環(huán)己烷C6H 12,分子量:84密度 p(g/ml)X20.5ml0.77220.04531.0ml0.77560.08811.5ml0.78150.13202.0ml0.7

12、8420.1750密度-摩爾分?jǐn)?shù)曲線y = 0.0970X + 0.7677摩爾分?jǐn)?shù)R2 = 0.9826*系列1線性（系列1）（2）折射率的測定（儀器編號14UC1087 ）先用阿貝折射儀測定水的折射率進(jìn)行校準(zhǔn)， 再測定環(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(jì)算時取平均值。表2 :折光率測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlni1.42251.41991.41781.41391.4110nil1.42261.42001.41721.41451.4112n平均1.42261.42001.41751.41421.4111由于實(shí)驗(yàn)時實(shí)驗(yàn)室溫度約為28

13、 C, 28 C下純水的折射率為1.3322，而此時用阿貝折射儀測得水的折射率為1.3331。故校準(zhǔn)后得到的樣品折射率為n 1,2X2環(huán)己烷1.42350.00000.5ml1.42090.04531.0ml1.41840.08811.5ml1.41510.13202.0ml1.41200.1750(3) 介電常數(shù)的測定(14UC1047)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:s環(huán)=2.023-0.0016(t-20)式中，t為溫度，°C。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(jì)

14、算時取平均值。測量一個樣品后，需 用濾紙把殘留樣品吸干，用吹風(fēng)機(jī)吹干樣品池后才能繼續(xù)性測量。 注意：用吹風(fēng)機(jī)吹干樣品池 的時候不要用熱風(fēng)，以防止樣品池溫度發(fā)生改變帶來的測量誤差。表2 :電容測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)空氣電容（PF）4.2溫度C）28.7環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlCl (PF)6.707.107.307.708.10C2 (PF)6.707.207.407.708.10C平均(PF)6.707.157.357.708.10環(huán)己烷介電常數(shù):CxCx=1.72CoCo=2.48根據(jù)溶C溶 CxCo求得各溶液的介電常數(shù)環(huán) 2.023 0.0016(t 20)2.00908介電常

15、數(shù)&X20.5ml2.1910.04531.0ml2.2710.08811.5ml2.4130.13202.0ml2.5740.1750介電常數(shù)-摩爾分?jǐn)?shù)曲線2.600y = 2.9842X + 2.03372R2 = 0.9805數(shù)常電介2.5002.4002.3002.200*系列1線性（系列1）2.1000.00000.05000.1000摩爾分?jǐn)?shù)0.15000.2000【數(shù)據(jù)處理】1,2 X2a1,2X2斜率斜率2.9842b0.0970cn1,2X2斜率-0.0659n1環(huán)己烷折光率1.4235n.0.0264£1環(huán)己烷介電常數(shù)2.0337M1環(huán)己烷分子量84P1環(huán)

16、己烷密度0.7677M 2乙酸乙酯分子量88P23a 1 M 1 (i 2)2"7M 2 bM1i149.0926RR2XimoR2nJ 1 M2 bMni22i26q M1c(n2 2)2 i21.0526求得乙酸乙酯的偶極矩2.5158D,. 9k(l4 nR2)T 0.0128 (P_R2)T【實(shí)驗(yàn)討論與注意事項(xiàng)】1、從偶極矩的數(shù)據(jù)可以了解分子的對稱性， 判別其幾何異構(gòu)體和分子的主體結(jié)構(gòu)等問題。偶極矩一般是通過測定介電常數(shù)、密度、折射率和濃度來求算的。對介電常數(shù)的測定除電橋法 外，其他還有拍頻法和諧振法等。 對氣體和電導(dǎo)很小的液體以拍頻法為好， 有相當(dāng)電導(dǎo)的液體 用諧振法較為合適；對于有一定電導(dǎo)但不大的液體用電橋法較為理想。2、溶液法測得的溶質(zhì)偶極矩和氣相測得的真空值之間存在著偏差，造成這種偏差現(xiàn)象主要是由于在溶液中存在有溶質(zhì)分子與溶劑分子以及溶劑分子與溶劑分子間作用的溶劑效應(yīng)。3、環(huán)己烷、乙酸乙酯易揮發(fā)，配制溶液時動作應(yīng)迅速，以免影響濃度。4本實(shí)驗(yàn)溶液中防止含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液應(yīng)透明不發(fā)生渾濁?！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