試驗二偶極矩測定

1、百度文庫-好好學習.天天向上-1實驗十五偶極矩的測定1.目的要求1）用溶液法測左乙酸乙酯的偶極矩。2）了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系。3）掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術(shù)。2.基本原理（1）偶極矩與極化度 分子結(jié)構(gòu)可以近似地看作由電子云和分子件架（原子核及內(nèi) 層電子）所構(gòu)成。由于英空間構(gòu)型的不同，其正負電荷中心可以是重合的，也可以不重合。 前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。1912年徳拜提岀“偶極矩”卩的概念來度量分子極性的大小，如圖15-1所示，其泄義 是.Ka 二q人（）式中，q是正負電荷中心所帶的電d為正負電荷中心之間的距離；“是一個向量，其方 向規(guī)泄為從正到負。 因分子中原子間的距

2、離的數(shù)量級為i （rnh電荷的數(shù)量級為io=c,所 以偶極矩的數(shù)量級是lOCm。通過偶極矩的測左，可以了解分子結(jié)構(gòu)中有關(guān)電子云的分布和分子的對稱性，可以用 來鑒別幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)等。極性分子具有永久偶極矩，但由于分子的熱運動，偶極矩指向某個方向的機會均等。 所以偶極矩的統(tǒng)計值等于零。若將極性分子苣于均勻的電場E中，則偶極矩在電場的作用 下，如圖15-2所示趨向電場方向排列。這時我們稱這些分子被極化了。極化的程度可用摩 爾轉(zhuǎn)向極化度P轉(zhuǎn)向來衡量。圖極性分子在電場作用下的定向P朋與永久偶極矩了的值成正比，與絕對溫度T成反比:P轉(zhuǎn)何=亍Nycr=-gN矣亍 式中，K為玻茲曼常數(shù)；N為阿伏加

3、徳羅常數(shù)。()圖電偶極矩示總:圖百度文庫-好好學習.天天向上-2在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子，都會發(fā)生電子云對分子計架的相對移 動，分子計架也會發(fā)生形變，這稱為誘導極化或變形極化。用摩爾誘導極化度P站來衡量。顯然P站可分為兩項，即電子極化度P3 和原子極化度P軒，因此P辭電子+P原子P辭與外電場強度成正比，與溫度無關(guān)。如果外電場是交變場，極性分子的極化情況則與交變場的頻率有關(guān)。當處于頻率小于10、的低頻電場或靜電場中，極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度P是轉(zhuǎn)向極化、電子極化和原 子極化的總和：p=P轉(zhuǎn)向+P電干+ P廉子()當頻率增加到10=10甘的中頻(紅外頻率)時，電子的交變周期小于分

4、子偶極矩的松 弛時間，極性分子的轉(zhuǎn)向運動跟不上電場的變化，即極性分子來不及沿電場方向左向，故P籾滬0,此時極性分子的摩爾極化度等于摩爾誘導極化度P站。當交變電場的頻率進一步增加到1015s-x的高頻(可見光和紫外頻率)時，極性分子的轉(zhuǎn) 向運動和分子it架變形都跟不上電場的變化。此時極性分子的摩爾極化度等于電子極化度p因此，原則上只要在低頻電場下測得極性分子的摩爾極化度P,在紅外頻率下測得極性 分子的摩爾誘導極化度Pi轉(zhuǎn)，兩者相減得到極性分子摩爾轉(zhuǎn)向極化度Ptw，然后代入式就 可算出極性分子的永久偶極矩卩來。(2)極化度的測立 克勞修斯、莫索和徳拜從電磁場理論得到了摩爾極化度P與介電 常數(shù)之間的

5、關(guān)系式：式中，H為被測物質(zhì)的分子量；P為該物質(zhì)的密度：可以通過實驗測左。但式是假左分子與分子間無相互作用而推導得到的，所以它只適用于溫度不太低的氣 相體系：但對某些物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。因此后來提岀了用一種溶液法來解決 這一困難。溶液法的基本想法是，在無限稀釋的非極性溶劑的溶液中，溶質(zhì)分子所處的狀 態(tài)和氣相時相近，于是無限稀釋溶液中溶質(zhì)的摩爾極化度匕，就可以看作式(12-4)中的P。海徳斯特蘭首先利用稀溶液的近似公式：=67,(1 +O%2)()為(1+朋2)()再根據(jù)溶液的加和性，推導岀無限稀釋時溶質(zhì)摩爾極化度的公式：上述式(15-5). (15-6). (15-7)中，樸P蒂分別是

6、溶液的介電常數(shù)和密度；血、&分別 是溶質(zhì)的分子量和摩爾分數(shù)；5、P，、業(yè)分別是溶劑的介電常數(shù)、密度和分子量；u、P是分別與渚丘和P濾&直線斜率有關(guān)的常數(shù)。上而已經(jīng)提到，在紅外頻率的電場下，可以測得極性分子摩爾誘導極化度P釣電千+P總子但是在實驗上由于條件的限制，很難做到這一點。所以一般總是在髙頻電場下測立極 性分子的電子極化度P電子。i - 1M2-、Pi】+2pi()百度文庫-好好學習.天天向上-3根據(jù)光的電磁理論，在同一頻率的髙頻電場作用下，透明物質(zhì)的介電常數(shù)與折光率n的關(guān)系為：百度文庫好好學習.天天向上4 = rT()習慣上用摩爾折射度乩來表示高頻區(qū)測得的極化度,而此時，

7、P轉(zhuǎn)向=0, PkO,則_+ 2在稀溶液情況下.還存在近似公式：% =心(1 +*2)()同樣，從式可以推導出無限稀釋時，溶質(zhì)的摩爾折射度的公式:式(15-10). (15-11)中，n潘是溶液的折射率：n堤溶劑的折射率：丫是與n笛應(yīng)直線斜率有關(guān)的常數(shù)。(3)偶極矩的測泄考慮到原子極化度通常只有電子極化度的5%15%,而且P朋又比戸釘大得多，故常常忽視原子極化度從式、和可得上式把物質(zhì)分子的微觀性質(zhì)偶極矩和它的宏觀性質(zhì)介電常數(shù)、密度、折射率聯(lián)系起來，分 子的永久偶極矩就可用下而的簡化式計算：卩=0 04274 X 10F/fp, 4, ) TC m在某種情況下，若需要考慮P皆影響時，只需對RJ作

8、部分修正就行了。上述測求極性分子偶極矩的方法稱為溶液法。溶液法測溶質(zhì)偶極矩與氣相測得的頁實 值間存在偏差。造成這種現(xiàn)象的原因是由于非極性溶劑與極性溶質(zhì)分子相互間的作用一“溶 劑化”作用。這種偏差現(xiàn)象稱為溶劑法測量偶極矩的“溶劑效應(yīng)”。此外測左偶極矩的方法還有多種，如溫度法、分子朿法、分子光譜法及利用微波譜的 斯諾克法等。這里就不一一介紹了。(4)介電常數(shù)的測定介電常數(shù)是通過測定電容計算而得的。、我們知道，如果在電容器的兩個極板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會增大。 如果維持極板上的電荷量不變，那么充電解質(zhì)的電容器兩極板間電勢差就會減少。設(shè)C。為 極板間處于真空時的電容疑，C為充以電解質(zhì)時的

9、電容量，則C與C。之比值稱為該電解 質(zhì)的介電常數(shù)：f()法拉第在1837年就解釋了這一現(xiàn)象，認為這是由于電解質(zhì)在電場中極化而引起的。極 化作用形成一反向電場，如圖15-3所示，因而抵消了一部分外加電場。M2briMxyP+(n； +2)?P1百度文庫好好學習.天天向上5圖 電解質(zhì)在電場作用下極化而引起的反向電場測左電容的方法一般有電橋法、柏頻法和諧振法，后二者為測左介電常數(shù)所常用，抗百度文庫-好好學習.天天向上-6干擾性能好，精度髙，但儀器價格較貴。本實驗中采用電橋法，選用的儀器為PCM-1A型小 電容測定儀。但小電容測捲儀所測之電容G包括了樣品的電容C”和整個測試系統(tǒng)中的分布電容G之和，即C

10、* -C# + Cd顯然，C“值隨介質(zhì)而異，而Cd對同一臺儀器而言是一個定值，稱為儀器的本底值。如 果直接將G值當作C州值來訃算，就會引進誤差。因此，必須先求出Ce值，并在以后的各次 測量中給予扣除。測左C。的方法如下：用一個已知介電常數(shù)的標準物質(zhì)測得電容C杯：4 = c休+ Cd()再測電容池中不放樣品時的電容：eg*()上述式(15-16). (15-17)中C杯、C空分別為標準物質(zhì)和空氣的電容。近似地可認為C空C。，貝IJq - c?=c標G()因為由式(15-17). (15-18). (15-19)可得()()電容池1只超級恒溫水浴1臺移液管(5 mL帶刻度)1只干燥器1只電子天平1

11、臺乙酸乙酯(分析純)(1)溶液配制將5個干燥的容雖:瓶編號，分別放到電子天平稱量，讀數(shù)穩(wěn)左后歸零。在25號空瓶內(nèi)分別加入一和的乙酸乙酯稱重，記下各自重量，歸零。然后在15號的5個瓶內(nèi)加環(huán)己烷至刻度，再稱重并記下各自重雖:。操作時應(yīng)注意防止溶質(zhì)、溶劑的揮發(fā)以及吸收極性較大的水氣。為此，溶液配好后應(yīng)迅速蓋上瓶塞，并置于干燥器中。(2)折光率的測立用阿貝折光儀測左環(huán)己烷及各配制溶液的折光率。測宦前先用少量樣品淸洗棱鏡鏡而兩次，用洗耳球吹I：鏡面。測宦時滴加的樣品應(yīng)均 勻分布在鏡面上，迅速閉合棱鏡，調(diào)節(jié)反射鏡，使視場明亮。轉(zhuǎn)動上邊的消色散旋鈕，使 鏡筒內(nèi)呈現(xiàn)一條淸晰的明暗臨界線。轉(zhuǎn)動下邊調(diào)肖旋鈕，使臨

12、界線移動至準線交點上，此 時可在鏡簡內(nèi)讀取折光率讀數(shù).每個樣品要求測立2次，每次讀取兩個讀數(shù)，這些數(shù)據(jù)之 間相差不能超過。小電容測上儀1臺阿貝折光儀1臺容量瓶(lOmL)5個燒杯(10mL)5個電吹風1個環(huán)己烷(分析純)3.儀器與試劑4.實驗步驟百度文庫-好好學習.天天向上-7(3)介電常數(shù)的測泄 數(shù)的溫度公式為：電容G和G的測定本實驗采用環(huán)己烷作為標準物質(zhì)。其介電常 汗己烷=2. 052 -1.55 x 10-%（）式中，t為測定時的溫度（C）。插上小電容測疑儀的電源插頭，打開電源開關(guān)，預熱10 min。用配套的測試線將數(shù)字小電容測量儀上的“電容池座”插座與電容池上的“II ”插座 相連，將

13、另一根測試線的一端插人數(shù)字小電容測量儀的電容池”插座，另一端暫時不接。待數(shù)顯穩(wěn)定后，按下校零按鈕，數(shù)字表頭顯示為零。在電容池樣品室丁燥、淸潔的情況下（電容池不清潔時，可用乙醴或丙酮沖洗數(shù)次，并 用電吹風吹干），將測試線未連接的一瑞插入電容池上的“I”插座，待數(shù)顯穩(wěn)左后，數(shù)字 表頭指示的便為空氣電容值C空。拔岀電容池 T”插座一端的測試線，打開電容池的上蓋，用移液管疑取1 mL環(huán)己烷 注入電容池樣品室（注意樣品不可多加，樣品過多會腐蝕密封材料），每次加入的樣品量必 須相同。待數(shù)顯穩(wěn)左后，按下校零按鈕，數(shù)字表頭顯示為零。將拔下的測試線的一端插入 電容池上的I”插座，待數(shù)顯穩(wěn)定后，數(shù)字表頭顯示的便為

14、環(huán)己烷的電容值。吸去電容池 內(nèi)的環(huán)己烷（倒在回收瓶中），重新裝樣，再次測量電容值，兩次測量電容的平均值即為C用吸管吸出電容池內(nèi)的液體樣品，用電吹風對電容池吹氣，使電容池內(nèi)液體樣品全部 揮發(fā)，至數(shù)顯的數(shù)字與C潮值相差無幾（,才能加入新樣品，否則須再吹。將C空、C心值代人式（15-20）、（15-21）,可解出G和Cd值。溶液電容的測左與測純環(huán)己烷的方法相同。重復測定時，不但要吸去電容池內(nèi)的溶液, 還要用電吹風將電容池樣品室和電極吹干。然后復測C丫值，以檢驗樣品室是否還有殘留 樣品。再加入該濃度溶液， 測出電容值。 兩次測定數(shù)據(jù)的差值應(yīng)小于， 否則要繼續(xù)復測。所測電容讀數(shù)取平均值， 減去C“即為溶

15、液的電容值C和由于溶液濃度會因試劑易揮發(fā)而 改變，故加樣時動作要迅速。5.據(jù)處理（D計算環(huán)己烷的密度P,各溶液的密度P濟及摩爾分數(shù)x：（表15-1）M耳己烷=表15-1密度和摩爾分數(shù)的測泄值項目編號12345瓶容積/mL酯重/g環(huán)己烷重/g溶液重/g密度P /g mL-1摩爾分數(shù)X-10 10 1010 10（2）環(huán)己烷及各溶液的折光率n（表15-2）表15-2溶液折光率的測左值折光率百度文庫-好好學習.天天向上-8計算C。、Cd及各溶液的介電常數(shù) (表15-3)C，2CC。二G二(4)作乂圖，由直線斜率求得“。作P&圖，由直線斜率求得作n乂圖，由直線斜率求得丫。(5)將P,、5, a、B值代入式(15-7),求得 甘。將P、B、Y值代人式(15-11),求得RA將P二R廠值代入式(15-13),計算乙酸乙酯的永久偶極矩