结构实验报告-稀溶液法测定偶极矩

1、华南师范大学实验报告学生姓名 学 号 专 业 化学（师范） 年级、班级 课程名称 结构化学实验 实验项目 稀溶液法测定偶极矩 实验类型 1验证2 设计1 综合 实验时间 年 月 日 实验指导老师 实验评分 1、 实验目的1. 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术2. 了解偶极矩与分子电性质的关系3. 测定正丁醇的偶极矩2、 实验原理1 偶极矩与极化度分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核及内层电子）所构成。由于空间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。1912年，德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义是 式中，q是正负电

2、荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；是一个矢量，其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为10-10m，电荷的数量级为10-20C，所以偶极矩的数量级是10-30C·m。通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称性，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向某个方向的机会均等。所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场E中，则偶极矩在电场的作用下，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度P来衡量。P与永久偶极矩的平方成正比，与绝对温度T成反比。 式

3、中，k为波兹曼常数；NA为阿弗加德罗常数；T为热力学温度；为分子的永久偶极矩。在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子，都会发生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会发生形变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度P诱导来衡量。显然，P诱导可分为两项，即电子极化度Pe和原子极化度Pa，因此 P诱导 = Pe + Pa 如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。当处于频率小于1010HZ的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度P是转向极化、电子极化和原子极化的总和。 P = P+ Pe +Pa 如何从测得的摩尔极化度P中分别出P的贡献呢？介电常数实际上是在107H

4、Z以下的频率测定的，测得的极化度为 P+ Pe +Pa。若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有Pe和Pa的贡献了。所以从按介电常数计算的P中减去红外线频率范围测得的极化，就等于P，在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽略，则在可见光范围： P =P -( Pe +Pa) P - Pe 2. 摩尔极化度的计算克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数 之间的关系式。 式中，M为被测物质的摩尔质量； 为该物质的密度； 是介电常数。但式是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的气相体系，对某种物质甚至根本无法获得

5、气相状态。因此后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是式中的P。在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。因此，式可以写成： 式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；x1表示溶剂的摩尔分数；x2表示溶质的摩尔分数；表示溶剂的摩尔极化度；表示溶质的摩尔极化度。对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则 Hedestrand 首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为 因此 做1，2-

6、x2图，根据式由直线测得斜率a，截距1；作1,2 -x2图，并根据式 由直线测得斜率b，截距1，代入式得3. 由折光度计算电子极化度Pe电子极化度可以使用摩尔折光度R代替，即 根据测量的溶液折射率n1,2作图n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式计算出Pe 。4. 介电常数的测定介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质的电容器两板间电势差就会减少。设C0为极板间处于真空时的电容量，C为充以电解质时的电容量，则C与C0的比值称为该电解质的介电常数： = 法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是

7、由于电解质在电场中极化而引起的。极化作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干扰性能好，精度高，但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所测得的电容C'样品包括了样品的电容C样品和电容池的分布电容Cx两部分，即 C'样品 = C样品 + Cx 对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 Cx。可以先测出以空气为介质的电容，记为C'空 ，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容C'标 。 C'空 = C空 + Cx C'标 = C标 + Cx 又因为 标 = 可得 Cx

8、 = C'空 C0 = 计算出 Cx 、C0 之后，根据式和式可得样品的介电常数： 溶 = 5. 偶极矩的计算 通过上述步骤分别计算出 、之后，根据式可得： 3、 仪器与试剂（1） 仪器 电容测量仪、25mL容量瓶，移液管、电子天平、阿贝折射仪、滴管、烧杯、洗耳球、干燥器等。（2） 试剂乙酸乙酯 分析纯环己烷 分析纯丙酮 分析纯4、 实验步骤1. 溶液配制将四个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。在空瓶内分别加入0.5mL、1.0mL、1.5mL和2.0mL的乙酸乙酯再称重。然后加环己烷至刻度线，称重。操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。为此，溶液配好以后应迅速盖

9、上瓶塞，并置于干燥器中。2. 折射率的测定用阿贝折射仪测定环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需加样两次，读取数据，计算时取平均值。3. 介电常数的测定本实验采用环己烷作为标准物质，其介电常数的温度公式为：环 = 2.023-0.0016(t-20)式中，t为温度，。打开电容测量仪，待读数稳定后，记录空气的电容值。分别测量纯环己烷和配制的4个样品溶液的电容，记录测量的数据。每个样品测量两次，计算时取平均值。测量一个样品后，需用滤纸把残留样品吸干，才能继续性测量。 五、数据处理1. 数据处理(1)溶液摩尔分数x的计算(2)绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线，并求出斜率c。(3)

10、计算环己烷的介电常数，求出电容池的分布电容Cx。(4)计算溶液的介电常数。(5)绘制-x2 工作曲线，由直线测得斜率a，截距1。(6)绘制作1,2 -x2 工作曲线，由直线测得斜率b，截距1 。(7)计算，计算Pe 。(8)计算P，计算偶极矩。2.数据结果:(1)溶液摩尔分数x的计算表一 溶液配制及相关计算项目0.5ml1.0ml1.5ml2.0ml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+环己烷(g)47.5370 40.7235 40.0304 44.2736

11、 溶液中乙酸乙酯质量(g)0.4513 0.8932 1.3509 1.7893 溶液中乙酸乙酯尔数(mol)0.0051 0.0102 0.0154 0.0203 溶液中环己烷质量(g)18.7775 18.3170 17.9732 17.5899 溶液中环己烷摩尔数(mol)0.2235 0.2181 0.2140 0.2094 乙酸乙酯摩尔分数x20.0224 0.0445 0.0669 0.0885 溶液质量(g)19.2288 19.2102 19.3241 19.3792 溶液密度(g/ml)0.7688 0.7721 0.7730 0.7752 注：乙酸乙酯C4H9OH,分子量:

12、 88 环己烷C6H12,分子量: 84(2)绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线，并求出斜率c表二 折射率测定项目环己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0ml第一次1.4295 1.4275 1.4264 1.4249 1.4235 第二次1.4295 1.4275 1.4262 1.4248 1.4234 平均值1.4295 1.4275 1.4263 1.4249 1.4235 n1,2x2环己烷1.4295 0 0.5ml1.4275 0.0224 1.0ml1.4263 0.0445 1.5ml1.4249 0.0669 2.0ml1.4235 0.0885 绘制折射率n

13、1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线得下图：由上图可得斜率为：-0.0666 ，截距为：1.4293 ，相关系数R2为：0.9938 (3)计算环己烷的介电常数，求出电容池的分布电容Cx。表三 电容测定 温度（）：27 空气的电容（PF）： 0.01项目环己烷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 2.67 2.83 2.99 根据式环 = 2.023-0.0016(t-20)计算环己烷介电常数得：环 =2.0118根据 Cx = C&

14、#39;空 计算电容池的分布电容为Cx =-2.28 (4)计算溶液的介电常数。根据C0 = 得：C0 =2.29根据溶 = 得各溶液的介电常数如下表所示：介电常数x20.5ml2.001 0.0224 1.0ml2.158 0.0445 1.5ml2.230 0.0669 2.0ml2.300 0.0885 (5)绘制-x2 工作曲线，由直线测得斜率a，截距1。由上图可得：斜率为4.3887，截距为1.9281 ，相关系数R2为：0.9551 (6)绘制作1,2 -x2 工作曲线，由直线测得斜率b，截距1密度(g/ml)x20.5ml0.7688 0.0224 1.0ml0.7721 0.0

15、445 1.5ml0.7730 0.0669 2.0ml0.7752 0.0885 由图可得斜率为：0.0908 ，截距为0.7672 ，相关系数R2为：0.9461 (7)计算，计算Pe 。根据 a 斜率 4.3887 b斜率0.0908 1环己烷介电常数1.9281 M1环己烷分子量84 1环己烷密度0.7672 M2乙酸乙酯分子量88 解得：204.8832 由c 斜率 -0.0666 b 斜率 0.0908 n1环己烷折光率1.4295 n122.0435 M1环己烷分子量84 1环己烷密度0.7672 M2乙酸乙酯分子量88 解得结果为：21.5669 (8)计算P，计算偶极矩。根据

16、上述结果解得:=3.0017D六、实验评注与拓展本实验测量项目比较多，处理数据也比较复杂。使用Guggenheim-Smith提出的简化和改进方法，用质量分数对折射率和介电常数作图，可以省去测量溶液密度的步骤。七、实验结果分析与讨论1、移取乙酸乙酯到容量瓶中，该过程对精确度的要求不高，因为接下来我们会称量乙酸乙酯的质量，数据处理也只用到其质量；而用环己烷定容时却应准确，因为计算溶液密度时需用到其体积。2、误差的来源主要有：（1） 溶液的配制：使用的容量瓶没完全干燥。配制过程中未及时称量，导致部分溶液挥发。（2） 由于溶质和溶剂分子之间存在相互作用即溶剂化作用，导致溶液法测得的溶质偶极矩与气相所

17、测得的真实值之间存在偏差。（3） 实验仪器的稳定性不好，导致部分操作过程的相关系数偏低，影响实验结果的准确性。3、实验改进：（1） 溶液的配制：配制过程中定容需准确，先称量后再摇匀，操作是要注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。为此，溶液配好后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器中。若溶液浑浊需重配。（2） 折光率的测定：测定时各样品需加样两次以求平均值。取样后试剂瓶要及时盖紧，以免溶液挥发，样品滴加要均匀，以覆盖棱镜为宜，不能太少也不能有气泡，以免影响测量结果的准确性。（3） 介电常数的测定：测空气电容时，将电容池两极间空隙吹干；每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测C空，与原来的C空值相差应小于0.02PF。测C溶时，操作应迅速，池盖要盖紧，防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽，影响测定值，溶液应透明不发生浑浊；同种样品、不同样品换样时，必须把电容池两极间空隙处的溶液抽干，然后彻底吹干。每次装入量严格相同，不能超过刻度线，样品过多会腐蚀密封材料渗入恒温腔，实验无法正常进行。4、准确测定溶质摩尔极化度和摩尔折射度时，为什么要外推至无限稀释