溶液法測(cè)定極性分子的偶極距

1、化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告化學(xué)測(cè)量與計(jì)算實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 溶液法測(cè)定極性分子的偶極距 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 院 （系）： 年級(jí)： 級(jí) 班指導(dǎo)教師： 研究生助教： 實(shí)驗(yàn)日期： 2017.05. 交報(bào)告日期： 2017.05. 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 用溶液法測(cè)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(cè)定偶極矩的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理1.偶極矩與摩爾極化度體系的偶極矩定義為：=q×d 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(chǎng)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(chǎng)或低頻電場(chǎng)中，外電場(chǎng)使得極性分子克服熱運(yùn)動(dòng)，其永久偶極矩在電場(chǎng)作用下趨于電場(chǎng)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 P定向 來衡量P定向=43NA023kT=49NA02kT 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 P誘導(dǎo)來衡量。極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度 P 是摩爾定向極化度和摩爾誘導(dǎo)極化度的總和，即P=P定向+ P誘導(dǎo)= P定向+ P電子+ P原子在高頻電場(chǎng)下，極性分子的定向運(yùn)動(dòng)跟不上電場(chǎng)的變化，電子仍可以沿電場(chǎng)定向（電子質(zhì)量很小，慣性?。藭r(shí)P定向=0。因此先在高頻電場(chǎng)下測(cè)得極性分子的摩爾電子誘導(dǎo)極化度 P電子，再在低頻電場(chǎng)下測(cè)得極性分子的摩爾極化度P，

3、兩者相減就可以得到分子的摩爾定向極化度P定向。（忽略極性分子的摩爾原子極化率 P原子）2.溶液法測(cè)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(jì)，所處的狀態(tài)和氣態(tài)時(shí)相近，其摩爾極化度P2可以看作是P。無限稀釋時(shí)溶質(zhì)的摩爾極化度的公式為P=P2=limx20P2=31(1+2)2M11+1-11+2M2-M11根據(jù)光的電磁理論，在同一頻率的高頻電場(chǎng)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：=n2?？捎脽o限稀釋時(shí)溶質(zhì)的摩爾折射度R2表示高頻區(qū)測(cè)得的摩爾極化度，因?yàn)榇藭r(shí)P定向=0，P原子=0，P電子=R2=limx20R2=6n12(n12+2)2M11+n12

4、-1n12+2M2-M11P2、R2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=11+x2 ，溶=11+x2 ，n溶=n11-x2以上物理量可通過測(cè)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 P定向=P2-R2=49NA02kT ，可得分子的永久偶極距 0=0.0128P2-R2T。三、實(shí)驗(yàn)用品1.儀器：阿貝折光儀1臺(tái)；比重管1只；電容測(cè)量儀1套；電子天平一臺(tái)； 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(gè)；2.試劑：正丁醇（分析純）；環(huán)己烷（分析純）；蒸餾水；丙酮。四、實(shí)驗(yàn)步驟1

5、. 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(shí)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(cè)定在恒溫（25±0.1)條件下用阿貝折光儀測(cè)定環(huán)己烷和各配制溶液的折光率。測(cè)定時(shí)各樣品需加樣3次，每次讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值。3. 介電常數(shù)的測(cè)定（1）先接好介電常數(shù)測(cè)量儀的配套電源線，打開電源開關(guān)，預(yù)熱5min；用配套測(cè)試線將數(shù)字電常數(shù)測(cè)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(cè)定：采用環(huán)己

6、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(t-20) ，式中，t 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(cè)量儀接通。讀取介電常數(shù)測(cè)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中，蓋緊蓋子，同上方法測(cè)量。倒去液體，吹干，重新裝樣，用以上方法再測(cè)量兩次，取3次測(cè)量平均值。（3）溶液電容的測(cè)量：測(cè)定方法與環(huán)己烷的測(cè)量方法相同。每個(gè)溶液重復(fù)測(cè)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(cè)。所測(cè)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(shí)動(dòng)作要迅速，加樣后迅速蓋緊蓋

7、子。4. 溶液密度的測(cè)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(cuò)！取下蓋子時(shí)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：溶=m2-m0m1-m0水，水25=0.99707 gmL比重管示意圖 5.清洗、整理儀器上述實(shí)驗(yàn)步驟完成后，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，儀器恢復(fù)實(shí)驗(yàn)前的擺放。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 溶液的配制環(huán)己烷的

8、摩爾質(zhì)量為 M環(huán)=84.16 gmol，密度為 環(huán)=0.778gmL；正丁醇的摩爾質(zhì)量為 M正=74.12 gmol，密度為 正=0.808gmL。計(jì)算可得，不同摩爾分?jǐn)?shù)的正丁醇-環(huán)己烷溶液中，應(yīng)加入正丁醇、環(huán)己烷的體積為：標(biāo)號(hào)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(jì)算 C0、Cd 以及各溶液的 C溶，求出各溶液的介電常數(shù) 溶，作 溶-x2圖，由直線斜率求 值，并外推得到 1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：測(cè)量次數(shù)第1次第3次第3次平均值介電常數(shù)溶C空'4.78

9、4.784.784.78C標(biāo)'(C環(huán)')6.676.676.676.67C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(shí)驗(yàn)室溫度 t=25.2標(biāo)=2.023-0.0016t-20=2.023-0.001625.2-20=2.015C0=C標(biāo)'-C空'標(biāo)-1=6.67-4.782.015-1=1.86； Cd=C空'-C0=4.78-1.86=2.92溶=C溶C0=C溶'-CdC0=

10、C溶'-2.921.86各溶液的介電常數(shù) 溶見上表。作 溶-x2圖如下：由趨勢(shì)線方程y = 4.62x + 1.8955可得溶=11+x2=1x2+1=4.62x2+1.90所以，1=1.90，1=4.62，從而可以推出 =2.43。3. 計(jì)算純環(huán)己烷以及各溶液的密度，作 溶-x2圖，由直線斜率求 值，并外推得到 1；數(shù)據(jù)記錄如下：溶液環(huán)己烷x20.050.100.150.20m0(g)72.1203m1(g)76.5963m2(g)75.588975.502675.519775.523875.5407溶液密度 溶 （g/cm3）0.772660.753440.757250.75816

11、0.76193 根據(jù)公式 溶=m2-m0m1-m0水，水25=0.99707 gmL，計(jì)算純環(huán)己烷以及各溶液的密度，見上表。溶x2圖溶/(g/cm3)x2根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作 溶-x2圖如下：由趨勢(shì)線方程y = 0.0528x + 0.7511可得溶=11+x2=1x2+1=0.0528x2+0.7511所以，1=0.7511，1=0.0528，從而可以推出 =0.0703。4.作 n溶-x2圖，由直線斜率求 值，并外推得到 n1； 數(shù)據(jù)記錄如下：折光率 n溶測(cè)量次數(shù)第1次第3次第3次平均值x20.051.42281.42271.42261.42270.101.42101.42101.42091.

12、42100.151.41941.41951.41941.41940.201.41821.41821.41821.4182n溶x2圖n溶x2根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作 n溶-x2圖如下：由趨勢(shì)線方程y = -0.0302x + 1.4241可得 n溶=n11-x2=-n1x2+n1=-0.0302x2+1.4241所以，n1=1.4241，-n1=-0.0302，從而可以推出 =0.0212。5.將 1、 1、 n1、 代入公式，求 P2、R2；11n1M1=M環(huán)M2=M正1.900.75111.42412.430.07030.021284.16 gmol74.12 gmol P2=limx20P2=31

13、1+22M11+1-11+2M2-M11 =3×2.43×1.90(1.90+2)2×84.160.7511+1.90-11.90+2×74.12-0.0703×84.160.7511=122.99R2=limx20R2=6n12n12+22M11+n12-1n12+2M2-M11=6×2.43×1.424121.42412+22×84.16×0.02120.7511+1.42412-11.42412+2×74.12-0.0703×84.160.7511=53.486. 將 P2、R2

14、代入求正丁醇分子的永久偶極距 0。 T=t+273.25=25.2+273.15=298.35 K 0=0.0128P2-R2T=0.0128×122.99-53.48×298.35=1.84六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 每次測(cè)定前要用冷風(fēng)將電容池吹干，并重測(cè)，與原來的值相差應(yīng)小于0.05 pF。嚴(yán)禁用熱風(fēng)吹樣品室；2. 測(cè)樣時(shí)，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(dòng)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(cè)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

15、與討論正丁醇偶極矩的文獻(xiàn)值為：1.66 Debye，實(shí)驗(yàn)測(cè)定值為1.84 Debye，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)定存在一定的誤差，有待改善。1實(shí)驗(yàn)誤差主要來源：（1）介電常數(shù)的測(cè)定時(shí)，測(cè)定介電常數(shù)的儀器穩(wěn)定性較差，測(cè)量時(shí)由于環(huán)境的擾動(dòng)，數(shù)據(jù)浮動(dòng)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(shí)驗(yàn)中很難避免不與空氣接觸，所以就會(huì)導(dǎo)致濃度發(fā)生改變； （3）密度的測(cè)量過程中，由于對(duì)比重管標(biāo)記重合時(shí)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(cè)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(shí)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式