偶极矩的测定用小电容测量仪测偶极矩(带思考题目解析)

_用小电容测量仪测偶极矩【实验目的】掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。熟悉小电容仪、折射仪的使用。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。精品文档放心下载【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，感谢阅读后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩μ来度量，其定义为精品文档放心下载μ=gd (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)。谢谢阅读而过去习惯使用的单位是德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。精品文档放心下载若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精品文档放心下载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)、电子极精品文档放心下载化度(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)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。精品文档放心下载由于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)式可写成精品文档放心下载P=P转向+P电子 (4)_只要在低频电场(ν<1010s-1)或静电场中测得P;在ν≈1015s-1的高频电场(紫外可见光)中，由于极性分精品文档放心下载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)式可谢谢阅读求得P ，再由(3)式计算μ。转向通过测定偶极矩，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。谢谢阅读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。因为在无限稀的溶谢谢阅读液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的偶极矩可按下式计算:感谢阅读(5)式中，P∞2和R∞2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。精品文档放心下载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精品文档放心下载的密度求得P∞2;在可见光下测定溶液的R∞2，然后由(5)式计算正丁醇的偶极矩。精品文档放心下载(1)极化度的测定无限稀时，溶质的摩尔极化度P∞2的公式为PlimP31M111M2M1(6)22(2)2d2dx201121式中，ε1、ρ1、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为溶精品文档放心下载质的相对分子质量;α和β为常数，可通过稀溶液的近似公式求得:精品文档放心下载(7)(8)式中，ε和ρ分别是溶液的介电常数和密度;x是溶质的摩尔分数。谢谢阅读溶 溶 2无限稀释时，溶质的摩尔折射度R∞2的公式为(9)_式中，n1为溶剂的折射率;γ为常数，可由稀溶液的近似公式求得:谢谢阅读(10)式中，n溶是溶液的折射率。其中α、γ分别根据ε12～x2、n12～x2作图求出。谢谢阅读本实验中，取β=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C（11）C0其中C0是以真空为介质的电容，C是充以介电常数为ε的介质时的电容。实验上通常以空气为介质时感谢阅读的电容为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。由于小电容测精品文档放心下载量仪测定电容时，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，即精品文档放心下载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基本上是定值，故可用一已知介电常数的标谢谢阅读准物质进行校正，以求得Cd。ε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（13）C标/=C标+Cd（14）ε标=C标/C空（C空≈C0）（15）故Cd=（ε标C空/-C标/）/（ε标-1）（16）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】感谢阅读_小电容测量仪1台;阿贝折射仪1台;吸耳球1只;滴瓶6只;滴管6只,2ml移液管6只。谢谢阅读环己烷(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。精品文档放心下载【实验步骤】1.折射率的测定（γ）（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。谢谢阅读（2）由 公式，以(n溶/n1)～X2作图，从直线的斜率求γ感谢阅读2.电容的测定（α）(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。谢谢阅读(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。精品文档放心下载(4)用2mL移液管移取2mL环己烷加入到电容池中，盖好，数字表头上所示值既为C′标。谢谢阅读由ε环己烷=2.283-0.00190（t-20）算出实验温度时环己烷的介电常数ε标，感谢阅读代入公式Cd=（ε标C空/-C标/）/（ε标-1）求得Cd；代入公式C空/=C空+Cd求得C空精品文档放心下载(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′空值应小于感谢阅读0.02pF，否则表明样品室有残液，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。谢谢阅读（6）由公式可知C溶=C溶/-Cd，ε溶=C溶/C空精品文档放心下载由 以（ε溶/ε1）～X2作图，从其斜率求出α精品文档放心下载3.结束实验，切断电源，仪器复原。【数据处理】室温：17.2~19.6 °C 气压：101.81kPa感谢阅读{公式}_环己烷密度公式dd103(tt)106(tt)2109(tt)3tssssdsαβγ适用温度0.79707-0.8879-0.9721.550~65n19=nT+0.00045*(T-19)（n19：19°C时，物质的折射率）ε环己烷=2.023-0.0016（t-20）C溶/=C溶+CdCd=（ε标C空/-C标/）/（ε标-1）ε溶=C溶/C空1.将所测数据列表。{原始数据}折射率的测定（γ）电容的测定（α）T=19.0°C序号折射率折射率正丁醇摩（n溶温度（n溶温度尔分数X21）T1/°C2）T2/°CC空//pFC′溶1/pFC′溶2/pF00（环己烷）1.428011.751.427211.876.91（C′标）6.91（C′标）10.041.426311.781.425811.877.077.0720.061.425711.781.425211.897.167.1530.081.424911.81.424611.897.277.2740.101.424311.81.424011.897.397.3950.121.423511.81.423211.894.427.557.53_2.{数据处理}（1）作(n19溶/n1)～X2图，由直线斜率求值。可知 =-0.02427精品文档放心下载以第1组数据说明数据处理过程：折射率的测定（γ）序号正丁醇摩折射率温度折射率温度尔分数X2（n溶1）T1/°C（n溶2）T2/°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：精品文档放心下载n19溶1=nT+0.00045*(T-19)=1.4263+0.00045*(11.78-19)=1.423051谢谢阅读n19溶2=nT+0.00045*(T-19)=1.4258+0.00045*(11.87-19)=1.4225915感谢阅读n19溶=（n19溶1+n19溶2）/2=1.422821精品文档放心下载重复上述步骤，对每组数据进行处理：折射率的测定（γ）值的计算序号正丁醇摩折射率温度折射率温度平均折射率（n19溶/n1）尔分数X2（n溶1）T1/°C（n溶2）T2/°C（n19溶）001.424365（环己烷）1.428011.751.427211.87（n1）110.041.426311.781.425811.871.4228210.998916_20.061.425711.781.425211.891.4222260.99849830.081.424911.81.424611.891.421530.9980140.101.424311.81.424011.891.420930.99758950.121.423511.81.423211.891.420130.997027作(n19溶/n1)～X2图1.0000(n19溶/n)-X拟合曲线12n10.9995/溶90.99901n0.99850.99800.99750.99700.99650.99600.00 0.020.040.060.080.10X精品文档放心下载2由直线斜率求值，可知 =-0.02427

(n19溶/n)1----拟合曲线关系式：Y=0.99996-0.02427*XR=-0.99904精品文档放心下载0.12 0.14 0.16（2）作（ε溶/ε1）～X2图，由直线斜率求值。可知α=1.05614。谢谢阅读以第0组数据说明数据处理过程：电容的测定（α） 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：ε标=ε环己烷=2.023-0.0016*（t-20）= 2.023-0.0016（19-20）= 2.0246感谢阅读平均C′溶=(C′溶1+C′溶2)/2=6.91(=C标/)感谢阅读Cd=（ε标C空/-C标/）/（ε标-1）=（2.0246*4.42-6.91）/(2.0246-1)=1.989783谢谢阅读C溶=C溶/-Cd=6.91-1.989783=4.920217感谢阅读C空=C空/-Cd=4.42-1.989783=2.430217精品文档放心下载ε溶=C溶/C空=4.920217/2.430217=2.0246（=ε1）精品文档放心下载重复上述步骤，对每组数据进行处理：序号012345电容的测定正丁醇（α）摩尔分数X200.040.060.080.10.12T=19.0°CC空//pF4.42C′溶1/pF6.917.077.167.277.397.53C′溶2/pF6.917.077.157.277.397.53α值的计算平均C′溶/pF6.91（C′标）7.077.1557.277.397.53Cd/pF1.9897835.08025.16525.28025.40025.5402C溶/pF4.9202171717171717C空/pF2.430217_2.09042.12542.17272.22212.2797ε溶2.0246（ε1）38143513211.03251.04971.07311.09751.1260（ε溶/ε1）11995685711作（ε溶/ε1）～X2图）1.14（ε溶/ε）-X拟合曲线（ε溶/ε）1----拟合曲线1ε12/1.12溶ε1.10（1.08关系式：1.06Y=0.9931+1.05614*XR=0.991071.041.021.000.000.020.040.060.080.100.120.140.16X2由直线斜率求α值，可知 α=1.05614（3）计算P∞2和R∞2.由公式可知：环己烷密度公式d

d

103

(t

t)106

(t

t)2

109

(t

t)3t

s

s

s

sds

α

β

γ

适用温度0.79707

-0.8879

-0.972

1.55

0~65_T=19.0°C时，环己烷密度p1=0.79707+10-3*（-0.8879）*（19-0）+10-6*（-0.972）*（19-0）2+10-9*1.55*（19-0）谢谢阅读3=0.78gcm-1且由（1）（2）可知n1=1.424365，ε1=2.0246，α=1.05614，β=0，=-0.02427，M1=84，M2=74代入公式可得：精品文档放心下载PlimP31M111M2M122(2)2d2dx20112131.056142.0246842.0246174谢谢阅读(2.02462)20.782.024620.78谢谢阅读=66.8030841.424365217461.424365840.024271.424365220.781.4243652220.78=22.2667(4)求算正丁醇的

。由公式可知:

0.04261030

PR

T20.0426103066.80308422.2667273.1519.0谢谢阅读=4.86*10-30Cm【注意事项】1.每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测C′，与原来的C′值相差应小于0.02PF。精品文档放心下载空 空2.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