稀溶液法测定偶极矩实验报告材料

1、稀溶液法测定偶极矩【实验目的】(1) 掌握溶液法测定偈极矩的主要实验技术(2) 了解偶极矩与分子电性质的关系c(3) 测定正丁醇的偶极矩。【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，其正负电荷中心可以是重合的，也可以不重合。前者称为非极性分子，后者称为极图2极性分子在电场作用下的定向性分子。0-©b -b图1电偶极矩示意图1912年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，如图1所示,其定义是式中，q是正负电荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；"是一个向量，其 方向规定为从正到负

2、。因分子中原子间的距离的数量级为 10-10m电荷的数量级为1O-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C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，如图 2所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度 P卩来衡量。P卩与永久偶极矩的卩的平方成正比，与绝对温度 T成反比。P _ 4 nN g厂9kT式中：k为玻兹曼常数，N A为

3、阿伏加德罗常数.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诱导可分为二项，即电子极化度 Pe和原子极化度Pa，因此P 诱导二Fe+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 g + Pe +Pa如何从测得的摩尔极化度P中分别出Pg的贡献呢？介电常数实际上是在107hz以下的频率 测定的，测得的极化度为P g + Pe +Pa

4、。若把频率提高到红外范围(约 10111014 HZ)，分子已 经来不及转向，此时测得的极化度只有 Pe和P.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 Pg,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 g =P -( P e +R)P - P eP与介电常数£之间的关系式(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£一1xMp式中，M为被测物质的摩尔质量；p 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

5、，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。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液中，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就可以看作是式中的P。溶剂和溶质的摩尔极化度等物在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象,理量可以被认为是具有可加性。因此，式可以写成：気1q,2+2M1x1M 2x2X-=Xi PiX2P2P1,2式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；Xi表示溶剂的摩尔分数；X2表示溶质的摩尔分 数；P1表示溶剂的摩尔极化度；P2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

6、qi叼+2M1Pi0X2P1,2 -%1 p1X2Hedestrand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p,2 二 p bX2因此q ax2 T M1X1 M 2X2q T M1xXx odP2 巳m)X2mq*aX2+2 p1 + bX2q+2pX23a q M 1q 1 M 2 - bM 1 + .(q+2fp q+2p做£ 1, 2-X 2图，根据式由直线测得斜率截距£ 1；作p 1,2 -X 2图，并根据式由直线测得斜率b,截距p 1,代入式得P2(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，即式中，n为物质的

7、折射率；M为物质的摩尔质量；p为密度。同样在稀溶液中:n1,2=n1+cx2一 20 .n j 1 M 2 bM 1e 2 = lim R22Pe R2 x2 0 n12 p6m M 1c_22-ni2 p根据测量的溶液折射率n 1,2作图ni.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G的比值&称 为该电解质的介电常数：CC0法

8、拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是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 G两部分，即C样品=C样品+ C x?对于给定的电容池，必须先测出其分布电容Cxo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'C'又因为可得&标=C标C0C x = C

9、9;空一£标一1&标一1计算出Cx、C0之后，根据式和式？可得样品的介电常数:&溶=C'溶一CXCT-(5)偶极矩的计算通过上述步骤分别计算出R2之后，根据式可得:9k P2： - R2 TV4 nNA二 0.128、孑-R2： T【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【实验步骤】(1)溶液配制(ME204E (仪器编号14UC1071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1.0mL、2.0mL、3.0mL 和4

10、.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上瓶塞。表1:溶液配制乙酸乙酯CH90H分子量：88环己烷QHk,分子量：841.0ml2.0ml3.0ml4.0ml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+环己烷（g）40.620639.230139.034141.0795溶液中乙酸乙酯质量（g）0.91441.78252.68413.5649溶液中乙酸乙酯尔数（mol）0.01040.0

11、2030.03050.0405溶液中环己烷质量（g）18.390717.607816.852816.0410溶液中环己烷摩尔数（mol）0.21890.20960.20060.1910乙酸乙酯摩尔分数x20.04530.08810.13200.1750溶液质量（g）19.305119.390319.536919.6059溶液密度（g/ml）0.77220.77560.78150.7842密度 p (g/ml)X20.5ml0.77220.04531.0ml0.77560.08811.5ml0.78150.13202.0ml0.78420.1750密度-摩尔分数曲线摩尔分数系列1 线性（系列1）

12、y = 0.0970X + 0.7677R2 = 0.9826(2)折射率的测定(仪器编号14UC1087先用阿贝折射仪测定水的折射率进行校准， 再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。表2:折光率测定实验数据环己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlni1.42251.41991.41781.41391.4110nii1.42261.42001.41721.41451.4112n平均1.42261.42001.41751.41421.4111由于实验时实验室温度约为28C, 28E下纯水的折射率为1.3322，而此时用阿贝折射仪折射率-摩尔

13、分数曲线摩尔分数y = -0.0659X + 1.4238 R2 = 0.996系列1 线性(系列1)测得水的折射率为1.3331。故校准后得到的样品折射率为n1,2X2环己烷1.42350.00000.5ml1.42090.04531.0ml1.41840.08811.5ml1.41510.13202.0ml1.41200.17501.42601.42401.42201.42001.41801.41601.41401.41201.4100(3)介电常数的测定(14UC1047)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

14、温度，°c。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，用吹风机吹干样品池后才能继续性测量。 注意：用吹风机吹干样品池 的时候不要用热风，以防止样品池温度发生改变带来的测量误差。表2 :电容测定实验数据空气电容（PF）4.2温度（C）28.7环己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlc (PF)6.707.107.307.708.10O(PF)6.707.207.407.708.10C平均(PF)6.707.157.357.708.10环己

15、烷介电常数： 环二 2.023 - 0.0016(t - 20) = 2.00908c标_c空;标 C1G=1.72根据_ C溶- Cx 一C。求得各溶液的介电常数0=2.48介电常数&X20.5ml2.1910.04531.0ml2.2710.08811.5ml2.4130.13202.0ml2.5740.1750介电常数-摩尔分数曲线摩尔分数=2.9842X + 2.03372R2 = 0.9805*系列1线性（系列1）【数据处理】a知,2 - X2斜率2.9842bP1,2X2斜率0.0970c山,2 X2斜率-0.0659n1环己烷折光率1.42352n10.0264£

16、; 1环己烷介电常数2.0337M环己烷分子量84p 1环己烷密度0.7677M乙酸乙酯分子量883a i MCi 2)2 J_1 M 2 一 bM1z+2 P1 1二 149.0926n12226q MC(n2 2)2 J二 21.0526求得乙酸乙酯的偶极矩-9k(P2R2)TV4兀 Na=0.0128.(障 - R2)T = 2.5158D【实验讨论与注意事项】1、从偶极矩的数据可以了解分子的对称性， 判别其几何异构体和分子的主体结构等问题。 偶极矩一般是通过测定介电常数、密度、折射率和浓度来求算的。对介电常数的测定除电桥法 外，其他还有拍频法和谐振法等。 对气体和电导很小的液体以拍频法为好， 有相当电导的液体 用谐振法较为合适；对于有一定电导但不大的液体用电桥法较为理想。2、溶液法测得的溶质偶极矩和气相测得的真空值之间存在着偏差，造成这种偏差现象主要是由于在溶液中存在有溶质分子与溶剂分子以及溶剂分子与溶剂分子间作用的溶剂效应。3. 环己烷、乙酸乙酯易挥发，配制溶液时动作应迅速，以免影响浓度。4. 本实验溶液中防止含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液应透明不发生浑浊。【思考题】1、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