偶极矩测定用小电容测量仪测偶极矩(带思考题答案)

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μ来度量，其定义为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)。而过去习惯使用的单位是德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。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)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+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μ。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，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。

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。(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）1.428011.751.427211.874.426.91（C′标）6.91（C′标）10.041.426311.781.425811.877.077.0720.061.425711.781.425211.897.167.1530.081.424911.81.424611.897.277.2740.101.424311.81.424011.897.397.3950.121.423511.81.423211.897.557.532.{数据处理}作(n19溶/n1)～X2图，由直线斜率求值。可知=-0.02427以第1组数据说明数据处理过程：折射率的测定（γ）序号正丁醇摩尔分数X2折射率（n溶1）温度T1/°C折射率（n溶2）温度T2/°C10.041.426311.781.425811.87由公式n19=nT+0.00045*(T-19)（n19：19°Cn19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)=1.4225915n19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（γ）值的计算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/°C平均折射率（n19溶）（n19溶/n1）00（环己烷）1.428011.751.427211.871.424365（n1）110.041.426311.781.425811.871.4228210.99891620.061.425711.781.425211.891.4222260.99849830.081.424911.81.424611.891.421530.9980140.101.424311.81.424011.891.420930.99758950.121.423511.81.423211.891.420130.997027作(n19溶/n1)～X2图关系式：Y=0.99996关系式：Y=0.99996-0.02427*XR=-0.99904由直线斜率求值，可知=-0.02427（2）作（ε溶/ε1）～X2图，由直线斜率求值。可知α=1.05614。以第0组数据说明数据处理过程：电容的测定（α）T=19.0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平均C′溶=(C′溶1+C′溶2)/2=6.91(=C标/)Cd=（ε标C空/-C标/）/（ε标-1）=（2.0246*4.42-6.91）/(2.0246-1)=1.989783C溶=C溶/-Cd=6.91-1.989783=4.920217C空=C空/-Cd=4.42-1.989783=2.430217ε溶=C溶/C空=4.920217/2.430217=2.0246（=ε1）重复上述步骤，对每组数据进行处理：序号012345电容的测定（α）T=19.0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/pF6.917.077.157.277.397.53α值的计算平均C′溶/pF6.91（C′标）7.077.1557.277.397.53Cd/pF1.989783C溶/pF4.9202175.0802175.1652175.2802175.4002175.540217C空/pF2.430217ε溶2.0246（ε1）2.0904382.1254142.1727352.2221132.279721（ε溶/ε1）11.0325191.0497951.0731681.0975571.126011作（ε溶/ε1）～X2图关系式：Y=关系式：Y=0.9931+1.05614*XR=0.99107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dsαβγ适用温度0.79707-0.8879-0.9721.550~65故T=19.0°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）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：=66.803084=22.2667(4)求算正丁醇的。由公式可知:=4.86*10-30C【注意事项】1.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。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极性较大的水汽，影响测定值。故操作要迅速，试剂和溶液应随时盖紧，溶液应透明不发生浑浊。3．每次装入量严格相同，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.注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以免损坏。【思考问题】1.本实验测定偶极矩时做了哪些近似处理?（1）分子结构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，并认为正、负电荷中心的距离是d。（2）由于P原子在P中所占的比例很小，在不很精确的测量中可以忽略P原子，认为P=P转向+P电子。（3）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，实验上通常以空气为介质时的电容C空作为C0。（4）以高频电场代替中频电场。（5）以无限稀释溶液体系近似于分子间无相互作用、温度不太低的气相体系。2.准确测定溶质的摩尔极化度和摩尔折射度时