偶極矩的測(cè)定用小電容測(cè)量儀測(cè)偶極矩帶思考題答案

1、用小電容測(cè)量儀測(cè)偶極矩【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1. 掌握溶液法測(cè)定偶極矩的原理、方法和計(jì)算。2. 熟悉小電容儀、折射儀的使用。3. 用溶液法測(cè)定正丁醇的偶極矩，了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)原理】 1.偶極矩與極化度 分子呈電中性，但因空間構(gòu)型的不同，正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合，前者為非極性分子，后者稱為極性分子，分子極性大小用偶極矩來度量，其定義為 =gd (1) 式中，g為正、負(fù)電荷中心所帶的電荷量;d是正、負(fù)電荷中心間的距離。偶極矩的SI單位是庫米(Cm)。而過去習(xí)慣使用的單位是德拜(D)，1D=3.33810-30Cm。 若將極性分子置于均勻的外電場(chǎng)中，分子將沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還

2、會(huì)發(fā)生電子云對(duì)分子骨架的相對(duì)移動(dòng)和分子骨架的變形，稱為極化。極化的程度用摩爾極化度P來度量。P是轉(zhuǎn)向極化度(P轉(zhuǎn)向)、電子極化度(P電子)和原子極化度(P原子)之和， P =P轉(zhuǎn)向 + P電子 + P原子(2) 其中， (3) 式中，NA為阿佛加德羅(Avogadro)常數(shù);K為玻耳茲曼(Boltzmann)常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。 由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精確的測(cè)量中可以忽略P原子，(2)式可寫成 P = P轉(zhuǎn)向 + P電子 (4) 只要在低頻電場(chǎng)(1010s-1)或靜電場(chǎng)中測(cè)得P;在1015s-1的高頻電場(chǎng)(紫外可見光)中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向和分子骨架變形跟不上電場(chǎng)的變化，

3、故P轉(zhuǎn)向=0，P原子=0，所以測(cè)得的是P電子。這樣由(4)式可求得P轉(zhuǎn)向，再由(3)式計(jì)算。 通過測(cè)定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對(duì)稱性，判斷幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)。 2.溶液法測(cè)定偶極矩 所謂溶液法就是將極性待測(cè)物溶于非極性溶劑中進(jìn)行測(cè)定，然后外推到無限稀釋。因?yàn)樵跓o限稀的溶液中，極性溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)與它在氣相時(shí)十分相近，此時(shí)分子的偶極矩可按下式計(jì)算: (5) 式中，P2和R2分別表示無限稀時(shí)極性分子的摩爾極化度和摩爾折射度(習(xí)慣上用摩爾折射度表示折射法測(cè)定的P電子);T是熱力學(xué)溫度。 本實(shí)驗(yàn)是將正丁醇溶于非極性的環(huán)己烷中形成稀溶液，然后在低頻電場(chǎng)中測(cè)量溶液的介電常數(shù)和溶液

4、的密度求得P2;在可見光下測(cè)定溶液的R2，然后由(5)式計(jì)算正丁醇的偶極矩。 (1)極化度的測(cè)定 無限稀時(shí)，溶質(zhì)的摩爾極化度P2的公式為 (6) 式中，1、1、M1分別是溶劑的介電常數(shù)、密度和相對(duì)分子質(zhì)量，其中密度的單位是gcm-3;M2為溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量;和為常數(shù)，可通過稀溶液的近似公式求得: (7) (8) 式中，溶和溶分別是溶液的介電常數(shù)和密度;x2是溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。 無限稀釋時(shí)，溶質(zhì)的摩爾折射度R2的公式為 (9) 式中，n1為溶劑的折射率;為常數(shù)，可由稀溶液的近似公式求得: (10) 式中，n溶是溶液的折射率。 其中、 分別根據(jù)12x2、n12x2作圖求出。本實(shí)驗(yàn)中，取=0(2)介

5、電常數(shù)的測(cè)定 介電常數(shù)是通過測(cè)定電容，計(jì)算而得到。按定義 （11）其中C0是以真空為介質(zhì)的電容，C是充以介電常數(shù)為的介質(zhì)時(shí)的電容。實(shí)驗(yàn)上通常以空氣為介質(zhì)時(shí)的電容為C0，因?yàn)榭諝庀鄬?duì)于真空的介電常數(shù)為1.0006，與真空作介質(zhì)的情況相差甚微。由于小電容測(cè)量儀測(cè)定電容時(shí)，除電容池兩極間的電容C0外，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中還有分布電容Cd的存在，即 Cx/ = Cx + Cd （12）其中，Cx/為實(shí)驗(yàn)所測(cè)值，Cx為真實(shí)的電容。對(duì)于同一臺(tái)儀器和同一電容池，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，Cd基本上是定值，故可用一已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校正，以求得Cd。環(huán)己烷*（t-20） 本實(shí)驗(yàn)采用電橋法。校正方法如下：C空/=C

6、空 + Cd （13）C標(biāo)/=C標(biāo) + Cd （14）標(biāo)= C標(biāo)/ C空（C空C0） （15）故Cd=（標(biāo)C空/- C標(biāo)/）/（標(biāo)-1） （16）將Cd代入(13)和(14)式即可求得C溶和C空。這樣就可計(jì)算待測(cè)液的介電常數(shù)。 【儀器藥品】小電容測(cè)量儀1臺(tái);阿貝折射儀1臺(tái);吸耳球1只;滴瓶6只;滴管6只,2ml移液管6只。 環(huán)己烷(AR);正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.04，0.06，0.08，0.10和0.12的五種正丁醇環(huán)己烷溶液。 【實(shí)驗(yàn)步驟】1.折射率的測(cè)定 （）（1）用阿貝折射儀分別測(cè)定環(huán)己烷和五份溶液的折射率，并記錄測(cè)量溫度。測(cè)量兩次，取平均值。（2）由公式，以(n溶 /n1)X2作圖，

7、從直線的斜率求2.電容的測(cè)定 （）(1)將電容測(cè)量儀通電，預(yù)熱20min。 (2)將電容儀與電容池連接線先接一根(只接電容儀，不接電容池)，調(diào)節(jié)零電位器使數(shù)字表頭指示為0。 (3)將兩根連接線都與電容池接好，此時(shí)數(shù)字表頭上所示值既為C空值。 (4)用2mL移液管移取2mL環(huán)己烷加入到電容池中，蓋好，數(shù)字表頭上所示值既為C標(biāo) 。由環(huán)己烷=2.283-0.00190（t-20）算出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)環(huán)己烷的介電常數(shù)標(biāo) ，代入公式Cd=（標(biāo)C空/- C標(biāo)/）/（標(biāo)-1）求得Cd ；代入公式C空/=C空 + Cd 求得C空(5)用滴管將環(huán)己烷吸入回收瓶中，用吸耳球?qū)悠肥掖蹈珊笤贉y(cè)C空值，與前面所測(cè)的C空值應(yīng)

8、小于0.02pF，否則表明樣品室有殘液，應(yīng)繼續(xù)吹干，然后依次用移液管移取2mL待測(cè)溶液，同樣方法測(cè)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作圖，從其斜率求出3.結(jié)束實(shí)驗(yàn)，切斷電源，儀器復(fù)原?！緮?shù)據(jù)處理】室溫：17.219.6 C 氣壓：101.81kPa公式環(huán)己烷密度公式ds 適用溫度0.79707 -0.8879 -0.972 1.55 065n19=nT+0.00045*(T-19) （n19 ：19C 時(shí)，物質(zhì)的折射率）環(huán)己烷=2.023-0.0016（t-20） C溶/=C溶 + Cd Cd=（標(biāo)C空/- C標(biāo)/）/（標(biāo)-1）

9、溶= C溶/ C空 1.將所測(cè)數(shù)據(jù)列表。原始數(shù)據(jù)折射率的測(cè)定 （）電容的測(cè)定 （） T=19.0C序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2折射率（n溶1）溫度T1/C折射率（n溶2）溫度T2/CC空/ /pFC溶1 /pFC溶2 /pF00（環(huán)己烷）1.428011.751.427211.874.426.91（C標(biāo) ）6.91（C標(biāo) ）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

10、.121.423511.81.423211.897.557.532.數(shù)據(jù)處理（1） 作(n19 溶/n1)X2圖，由直線斜率求g值?？芍?g= -0.02427以第1組數(shù)據(jù)說明數(shù)據(jù)處理過程：折射率的測(cè)定 （）序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2折射率（n溶1）溫度T1/C折射率（n溶2）溫度T2/C10.041.426311.781.425811.87由公式 n19=nT+0.00045*(T-19) （n19 ：19C 時(shí)，物質(zhì)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-

11、19)= 1.4258+0.00045*(11.87-19)= 1.4225915 n19 溶=（n19 溶1+ n19 溶2）/2= 1.422821重復(fù)上述步驟，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：折射率的測(cè)定 （）g值的計(jì)算序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2折射率（n溶1）溫度T1/C折射率（n溶2）溫度T2/C平均折射率（n19 溶 ）（n19 溶/n1）00（環(huán)己烷）1.428011.751.427211.871.424365（n1）110.041.426311.781.425811.871.4228210.99891620.061.425711.781.425211.891.4222260.99849830.

12、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圖關(guān)系式：Y = 0.99996 -0.02427 * XR=-0.99904由直線斜率求g值，可知 g= -0.02427（2）作（溶 /1 ）X2圖，由直線斜率求a值?？芍?1.05614。以第0組數(shù)據(jù)說明數(shù)據(jù)處理過程：電容的測(cè)定 （） T=19.0C序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2C空/ /pFC溶1 /pFC溶2 /pF00.044.4

13、26.916.91由公式可知：標(biāo) =環(huán)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標(biāo)/) Cd=（標(biāo)C空/- C標(biāo)/）/（標(biāo)-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=2.430217溶= C溶/ C空 =4.920217/2.430217=2.0246（=1）重復(fù)上述步驟，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：序號(hào)01234

14、5電容的測(cè)定（） T=19.0C正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)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值的計(jì)算平均C溶/pF6.91（C標(biāo) ）7.077.1557.277.397.53Cd /pF1.989783C溶/pF4.9202175.0802175.1652175.2802175.4002175.540217C空/pF2.430217溶2.0246（1）2.0904382.1254142.1727352.2221132.279721（溶/1）11.032

15、5191.0497951.0731681.0975571.126011作（溶 /1 ）X2圖關(guān)系式：Y = 0.9931+1.05614 * XR= 0.99107由直線斜率求值，可知 =1.05614（3）計(jì)算P2和R2. 由公式可知：環(huán)己烷密度公式ds 適用溫度0.79707 -0.8879 -0.972 1.55 065故T=19.0C時(shí)，環(huán)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 =1.424365，1=2.0246，=1.05

16、614，=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【注意事項(xiàng)】 1.每次測(cè)定前要用冷風(fēng)將電容池吹干，并重測(cè)C空，與原來的C空值相差應(yīng)小于0.02PF。 2.測(cè)C溶時(shí)，操作應(yīng)迅速，池蓋要蓋緊，防止樣品揮發(fā)和吸收空氣中極性較大的水汽，影響測(cè)定值。故操作要迅速，試劑和溶液應(yīng)隨時(shí)蓋緊，溶液應(yīng)透明不發(fā)生渾濁。3每次裝入量嚴(yán)格相同，樣品過多會(huì)腐蝕密封材料滲入恒溫腔，實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行。4.注意不要用力扭曲電容儀連接電容池的電纜線，以免損壞。 【思考問題】 1.本實(shí)驗(yàn)測(cè)定偶極矩時(shí)做了哪些近似處理? （1）分子結(jié)構(gòu)近似地看成是由電子云和分子骨架原子核及內(nèi)層電子所構(gòu)成，并認(rèn)為正、負(fù)電荷中心的距離是d 。（2）由于P原子在P中所占的比例很小，在不很精確的測(cè)量中可以忽略P原子，認(rèn)為P = P轉(zhuǎn)向 + P電子 。（3）因?yàn)榭諝庀鄬?duì)于真空的介電常數(shù)為1.0006，與真空作介質(zhì)的情況相差甚微，實(shí)驗(yàn)上通常以空氣為介質(zhì)時(shí)的電容C空作為C0。（4）以高頻電場(chǎng)代替中頻電場(chǎng)。（5）以無限稀釋溶液