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文档简介
1、偶极矩的测定 姓名: 学号: 组别: 用小电容测量仪测偶极矩【实验目的】 1. 掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。2. 熟悉小电容仪、折射仪的使用。3. 用溶液法测定正丁醇的偶极矩,了解偶极矩与分子电性质的关系。【实验原理】 1.偶极矩与极化度 分子呈电中性,但因空间构型的不同,正负电荷中心可能重合,也可能不重合,前者为非极性分子,后者称为极性分子,分子极性大小用偶极矩来度量,其定义为 =gd
2、160;(1) 式中,g为正、负电荷中心所带的电荷量;d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库米(C·m)。而过去习惯使用的单位是德拜(D),1D=3.338×10-30C·m。 假设将极性分子置于均匀的外电场中,分子将沿电场方向转动,同时还会发生电子云对分子骨架的相对移动和分子骨架的变形,称为极化。极化的程度用摩尔极化度P来度量。P是转向极化度(P转向)、电子极化度(P电子)和原子极化度(P原子)之和, P =P转向 + P电子 + P原子 (2) 其中,
3、60; (3) 式中,NA为阿佛加德罗(Avogadro)常数;K为玻耳兹曼(Boltzmann)常数;T为热力学温度。 由于P原子在P中所占的比例很小,所以在不很精确的测量中可以忽略P原子,(2)式可写成 P = P转向 +
4、 P电子 (4) 只要在低频电场(<1010s-1)或静电场中测得P;在1015s-1的高频电场(紫外可见光)中,由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化,故P转向=0,P原子=0,所以测得的是P电子。这样由(4)式可求得P转向,再由(3)式计算。 通过测定偶极矩,可以了解分子中电子云的分布和分子对称性,判断几何异构体和分子的立体结构。 2.溶液法测定偶极矩 所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定,然后外推到无限稀释。因为在无限稀的溶液中,极性溶质分子所处的状态
5、与它在气相时十分相近,此时分子的偶极矩可按下式计算: (5) 式中,P2和R2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度(习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子);T是热力学温度。 本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液,然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P2;在可见光下测定溶液的R2,然后由(5)式计算正丁醇的偶极矩。 (1)极化度的测定 无限稀时,溶质的摩尔极化度P2的公式为
6、; (6) 式中,1、1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量,其中密度的单位是g·cm-3;M2为溶质的相对分子质量;和为常数,可通过稀溶液的近似公式求得: (7)
7、 (8) 式中,溶和溶分别是溶液的介电常数和密度;x2是溶质的摩尔分数。 无限稀释时,溶质的摩尔折射度R2的公式为 (9) 式中,n1为溶剂的折射率;为常数,可由稀溶液的近似公式求得:
8、160; (10) 式中,n溶是溶液的折射率。 其中、 分别根据12x2、n12x2作图求出。本实验中,取=0(2)介电常数的测定 介电常数是通过测定电容,计算而得到。按定义 11其中C0是以真空为介质的电容,C是充以介电常数为的介质时的电容。实验上通常以空气为介质时的电容为C0,因为空气相对于真空的介电常数为1.0006,与真空作介质的情况相差甚微。由于
9、小电容测量仪测定电容时,除电容池两极间的电容C0外,整个测试系统中还有分布电容Cd的存在,即 Cx/ = Cx + Cd 12其中,Cx/为实验所测值,Cx为真实的电容。对于同一台仪器和同一电容池,在相同的实验条件下,Cd根本上是定值,故可用一介电常数的标准物质进行校正,以求得Cd。环己烷=2.023-0.0016*t-20 本实验采用电桥法。校正方法如下:C空/=C空 + Cd 13C标/=C标 + Cd 14标= C标/ C空C空C0 15故Cd=标C空/- C标/标-1 16将Cd代入(13)和(14)式即可求得C溶和C空。这样就可计算待测液的介电常数。 【仪器药品】小电容测量仪1台;阿
10、贝折射仪1台;吸耳球1只;滴瓶6只;滴管6只,2ml移液管6只。 环己烷(AR);正丁醇摩尔分数分别为0.04,0.06,0.08,0.10和0.12的五种正丁醇环己烷溶液。 【实验步骤】1.折射率的测定 1用阿贝折射仪分别测定环己烷和五份溶液的折射率,并记录测量温度。测量两次,取平均值。2由公式,以(n溶 /n1)X2作图,从直线的斜率求2.电容的测定 (1)将电容测量仪通电,预热20min。 (2)将电容仪与电容池连接线先接一根(只接电容仪,不接电容池),调节零电位器使数字表头指示为0。 (3)将两根连接线都与电容池接好,此时数字表头上所示值既为C空值。 (4)用2mL移液管移取2mL环己
11、烷参加到电容池中,盖好,数字表头上所示值既为C标 。由环己烷=2.283-0.00190t-20算出实验温度时环己烷的介电常数标 ,代入公式Cd=标C空/- C标/标-1求得Cd ;代入公式C空/=C空 + Cd 求得C空(5)用滴管将环己烷吸入回收瓶中,用吸耳球将样品室吹干后再测C空值,与前面所测的C空值应小于0.02pF,否那么说明样品室有残液,应继续吹干,然后依次用移液管移取2mL待测溶液,同样方法测定五份溶液的C溶。6由公式可知C溶= C溶/- Cd ,溶= C溶/ C空由以溶 /1 X2作图,从其斜率求出3.结束实验,切断电源,仪器复原。【数据处理】室温:17.219.6 °
12、;C 气压:101.81kPa公式环己烷密度公式ds 适用温度0.79707 -0.8879 -0.972 1.55 065n19=nT+0.00045*(T-19) n19 :19°C 时,物质的折射率环己烷=2.023-0.0016t-20 C溶/=C溶 + Cd Cd=标C空/- C标/标-1溶= C溶/ C空 1.将所测数据列表。原始数据折射率的测定 电容的测定 T=19.0°C序号正丁醇摩尔分数X2折射率n溶1温度T1/°C折射率n溶2温度T2/°CC空/ /pFC溶1 /pFC溶2 /pF00环己烷1.428011.751.427211.87
13、4.426.91C标 6.91C标 10.041.426311.781.425811.877.077.0720.061.425711.781.425211.897.167.1530.081.424911.81.424611.897.277.2740.101.424311.81.424011.897.397.3950.121.423511.81.423211.897.557.532.数据处理(1) 作(n19 溶/n1)X2图,由直线斜率求g值。可知 g= -0.02427以第1组数据说明数据处理过程:折射率的测定 序号正丁醇摩尔分数X2折射率n溶1温度T1/°C折射率n溶2温度T2/
14、°C10.041.426311.781.425811.87由公式 n19=nT+0.00045*(T-19) n19 :19°C 时,物质的折射率可知:n19 溶1=nT+0.00045*(T-19)= 1.4263+0.00045*(11.78-19)= 1.423051n19 溶2=nT+0.00045*(T-19)= 1.4258+0.00045*(11.87-19)= 1.4225915 n19 溶=n19 溶1+ n19 溶2/2= 1.422821重复上述步骤,对每组数据进行处理:折射率的测定 g值的计算序号正丁醇摩尔分数X2折射率n溶1温度T1/°C
15、折射率n溶2温度T2/°C平均折射率n19 溶 n19 溶/n100环己烷1.428011.751.427211.871.424365n1110.041.426311.781.425811.871.4228210.99891620.061.425711.781.425211.891.4222260.99849830.081.424911.81.424611.891.421530.9980140.101.424311.81.424011.891.420930.99758950.121.423511.81.423211.891.420210.997027作(n19 溶/n1)X2图关系式
16、:Y = 0.99996 -0.02427 * XR=-0.99904由直线斜率求g值,可知 g= -0.024272作溶 /1 X2图,由直线斜率求a值。可知=1.05614。以第0组数据说明数据处理过程:电容的测定 T=19.0°C序号正丁醇摩尔分数X2C空/ /pFC溶1 /pFC溶2 /pF00.044.426.916.91由公式可知:标 =环己烷=2.023-0.0016*t-20= 2.023-0.001619-20= 2.0246 平均C溶 = (C溶1+ C溶2)/2= 6.91 (=C标/) Cd=标C空/- C标/标-1=2.0246*4.42-6.91/(2.0
17、246-1)= 1.989783C溶= C溶/ - Cd = 6.91-1.989783=4.920217C空= C空/ - Cd =4.42-1.989783=2.430217溶= C溶/ C空 =4.920217/2.430217=2.0246=1重复上述步骤,对每组数据进行处理:序号012345电容的测定 T=19.0°C正丁醇摩尔分数X200.040.060.080.10.12C空/ /pF4.42C溶1 /pF6.917.077.167.277.397.53C溶2 /pF6.917.077.157.277.397.53值的计算平均C溶/pF6.91C标 7.077.1557
18、.277.397.53Cd /pF1.989783C溶/pF4.9202175.0802175.1652175.2802175.4002175.540217C空/pF2.430217溶2.024612.0904382.1254142.1727352.2221132.279721溶/111.0325191.0497951.0731681.0975571.126011作溶 /1 X2图关系式:Y = 0.9931+1.05614 * XR= 0.99107由直线斜率求值,可知 =1.056143计算P2和R2. 由公式可知:环己烷密度公式ds 适用温度0.79707 -0.8879 -0.972 1.55 065故T=19.0°C时,环己烷密度p1=0.79707+10-3*-0.8879*19-0+10-6*-0.972*19-02+10-9*1.55 *19-03 =0.78gcm-1且由12可知n1 =1.424365,1=2.0246,=1.05614,=0,g= -0.02427,M1=84,M2=74代入公式可得:=66.803084=22.2667(4)求算正丁醇的。由公式可知: = 4.86*10-30 C m【考前须知】 1.每次测定前要用冷风将电容池吹干,并重测C
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