分子偶極矩的測定

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上分子偶極矩的測定周韜摘要：本實驗通過測定物質(zhì)的密度、折光率和介電常數(shù)，根據(jù)理論推導(dǎo)的公式，計算出了乙酸乙酯的分子偶極矩。關(guān)鍵詞：密度，折光率，介電常數(shù)，分子偶極矩。引言王成瑞在“溶液中測定分子偶極矩的幾種計算方程1”中對分子偶極矩實驗數(shù)據(jù)處理用到的方程進(jìn)行了一遍推導(dǎo)，并用Hedestrand法和Halverstadt-Kumler法兩種方法對P2進(jìn)行了求解。但是，無論是上述文獻(xiàn)的計算方法，還是很多其他文獻(xiàn)上相同方法以及直接用德拜公式講解原理時都將分子偶極矩中140一項省略，致使很多實驗者在數(shù)據(jù)處理時出現(xiàn)難以理解的地方，甚至是計算結(jié)果與文獻(xiàn)值存在幾個數(shù)量級上的差距。本文

2、主要在原理上進(jìn)行了補(bǔ)充，并以實驗數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)值的比較證明了原理的正確性。張見周在“偶極矩的測定及其應(yīng)用2”中對折射法測定偶極矩的原理進(jìn)行了解釋，并簡單介紹 了分子偶極矩用于判斷化學(xué)鍵的極性等方面的應(yīng)用?？紤]到折射法對樣品的消耗較多，而電橋法需要的樣品則相對要少很多，并且實驗得到的結(jié)果依然較為準(zhǔn)確，所以，本次實驗使用電橋法測定介電常數(shù)。1實驗部分1.1原理1.1.1偶極矩和極化度分子的表象為電中性，但是由于空間構(gòu)型的不同，分子的正負(fù)中心有可能不重合，于是表現(xiàn)出極性來，極性的大小用偶極矩來衡量=qd式中q為正（負(fù)）電荷中心所帶的電荷量，d為正、負(fù)電荷間的距離。偶極矩的方向規(guī)定從正指向負(fù)。極性分子擁有

3、偶極矩，在沒有外電場的作用下時，由于分子熱運動，偶極矩指向各方向的機(jī)會均等，所以統(tǒng)計偶極矩等于0。將分子置于外電場中時，分子會沿外電場方向做定向的轉(zhuǎn)動，同時，分子中的電子云相對分子骨架發(fā)生位移，分子骨架本身也發(fā)生一定的變形，成為分子極化，可用摩爾極化度來衡量分子極化程度。因轉(zhuǎn)向而極化成為摩爾轉(zhuǎn)向極化度，由變形所致的為摩爾變形極化度，包括電子極化和原子極化。即P=P轉(zhuǎn)向+P變形=P轉(zhuǎn)向+(P電子+P原子)已知P轉(zhuǎn)向與永久偶極矩的平方成正比，與熱力學(xué)溫度成反比，即P轉(zhuǎn)向=14049NA2kbT=NA290kbT式中kb為玻爾茲曼常數(shù)，NA為阿伏伽德羅常數(shù)。對于非極性分子，=0，即P轉(zhuǎn)向=0，所以P

4、=P電子+P原子。對于極性分子，分子的極化程度與外電場的頻率有關(guān)。在低頻電場（1010s-1）下,摩爾極化度等于摩爾轉(zhuǎn)向極化度與摩爾變形極化度之和；在中頻電場（=10121014s-1）下，電場交變周期小于偶極矩的松弛時間，分子轉(zhuǎn)向運動跟不上電場變化，P轉(zhuǎn)向=0，于是P=P電子+P原子；在高頻電場（1015s-1）下，分子骨架變形運動也跟不上電場變化，所以P=P電子。所以，如果分別在低頻和中頻電場下測定分子的摩爾極化度，兩者相減即可得到分子的摩爾轉(zhuǎn)向極化度，進(jìn)一步可以求得極性分子的永久偶極矩。在實驗中，一般不使用中頻電場，所以用高頻電場代替中頻電場。因為，分子骨架變形引起的變形極化度只占變形極

5、化度的10%15%，所以，實驗中，一般將其忽略。在計算過程中，可以將其考慮進(jìn)去。1.1.2極化度和偶極矩的測定對于分子間相互作用很?。梢院雎裕┑南到y(tǒng)，摩爾極化度和介電常數(shù)的關(guān)系為P=-1+2×M式中M為相對分子質(zhì)量，為密度。由于條件的限制，上式只適用于溫度不太低的氣相系統(tǒng)。然而，測定氣態(tài)介電常數(shù)和密度在實驗上很難做到。于是，提出一種溶液法，將待測分子溶于非極性分子溶劑中，測定不同濃度的溶液溶質(zhì)的摩爾極化度進(jìn)行外推至無限稀釋，即可認(rèn)為此時沒有溶質(zhì)分子間的相互作用。海德斯特蘭利用稀溶液的近似公式=1(1+x2)=1(1+x2)式中、分別為溶液的介電常數(shù)和密度；1、1分別代表溶劑的介電常

6、數(shù)和密度；。x2為溶質(zhì)所占摩爾分?jǐn)?shù)。、為常數(shù)。再加上溶液的加和性，推導(dǎo)出無限稀釋時溶質(zhì)的摩爾極化度P2P=P2=limx20P2=31(1+2)2M11+(1-11+2)M2-M11式中：1、1、M1分別代表溶劑的介電常數(shù)、密度和相對分子質(zhì)量；M2則代表溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。因此，只要測定出純?nèi)軇┮约安煌瑵舛鹊娜芤旱慕殡姵?shù)和密度，就可以計算得到溶質(zhì)分子的摩爾極化度。根據(jù)光的電磁理論，在同一高頻率電場下，圖名物質(zhì)的介電常數(shù)和折射率n之間的關(guān)系為=n2在高頻電場下，用摩爾折射度來表示極化度，即R2=P變形=P電子=（n2-1n2+2)M測定不同濃度溶液的摩爾折射度R，外推值無限稀釋得到溶質(zhì)的摩爾折

7、射度公式R2=limx20R2=6n12M1(n12+2)21+(n12-1n12+2)M2-M11式中n1為溶劑的摩爾折射率；為常數(shù)，可以由下式求出n=n1(1+x2)式中n為溶液的摩爾折射率。綜上P轉(zhuǎn)向=P-P變形=P低頻-P中高頻=P2-R2P轉(zhuǎn)向=P2-R2=NA290kbT=90kbTP轉(zhuǎn)向NA1.1.3密度的測定密度用密度瓶法進(jìn)行測定。即，分別準(zhǔn)確測定密度瓶裝滿溶液后的質(zhì)量，密度瓶的體積由已知密度的水進(jìn)行標(biāo)定。需要注意的是，由于幾種物質(zhì)用一個密度瓶，所以在使用過程中，先進(jìn)性易揮發(fā)的溶液質(zhì)量測定，最后進(jìn)行水的測定。1.1.4介電常數(shù)的測定介電常數(shù)是通過測定電容進(jìn)而計算得到。按定義=C

8、xC0式中C0為電容器兩極板間處于真空的電容量；Cx為充以電介質(zhì)x時的電熱容量。在測定小電容時，整個測試系統(tǒng)還有分布電容Cd的存在。所以物質(zhì)的實測電容為物質(zhì)真實電容與分布電容之和，即Cx測=Cx+Cd在實驗中，由于條件的限制，用電介質(zhì)為空氣時的真實電容代替C0。即=CxC0CxC空 x=CxC空=Cx測-CdC空=Cx測-CdC空測-Cd 根據(jù)上式，用已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來標(biāo)定Cd，即 Cd=C空測標(biāo)-C標(biāo)測標(biāo)-1 根據(jù)、兩式，可以利用實驗數(shù)據(jù)計算得到待測物質(zhì)的介電常數(shù)。實驗中用到的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為環(huán)己烷，其介電常數(shù)與攝氏溫度的關(guān)系為=2.052-1.55×10-3t1.2實驗方法1.2

9、.1主要儀器及藥品儀器：THX-05低溫恒溫循環(huán)器1套，PCM-1A型介電常數(shù)測量儀1臺，WAY-2S數(shù)字阿貝折射儀1臺，密度瓶1只，50mL容量瓶5只，5mL刻度移液管1支，滴管若干。試劑：環(huán)己烷（AR），乙酸乙酯（AR），去離子水。1.2.2實驗方法配制不同濃度溶液。稱量法配制摩爾分?jǐn)?shù)x2為0.05、0.10、0.15、0.20、0.30的溶液各50mL。在配制過程中，根據(jù)其體積所占的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行量取，并對質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確稱量（差值法,稱取空瓶、裝乙酸乙酯以及總?cè)芤旱馁|(zhì)量）。體積量取公式為V=V溶液×x2M2/2x2M2/2+(1-x2)M1/1式中，M2、2分別為溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量

10、和密度，M1、1分別為溶液的相對分子質(zhì)量和密度。測折射率。在將阿貝折光儀的溫度穩(wěn)定在25±0.1時，測定純環(huán)己烷和不同濃度溶液的折射率，每組平行測定三次。測密度。用密度瓶法測定水、環(huán)己烷和五個溶液的密度。每次稱量之后，將密度瓶吹干，通過稱量空瓶質(zhì)量的方法鑒定是否吹干。測定介電常數(shù)。連接電容池和電容測定儀，開啟電源，預(yù)熱10min。測定空氣的電容C空測，在測定標(biāo)準(zhǔn)物環(huán)己烷的電容C標(biāo)測。將樣品池吹干后，再次測定空氣的電容以檢查是否將環(huán)己烷吹干以及判定儀器的穩(wěn)定性。按照步驟，測定五個不同濃度溶液的電容Cx測。為了檢查是否將前一種物質(zhì)吹干，每次都要對空氣的電容進(jìn)行測定。每組平行測定三次。2實

11、驗結(jié)果和分析表格 1 進(jìn)行校正之后物質(zhì)各參數(shù)準(zhǔn)確值室溫：25 壓力：10388 kpa 空氣介電常數(shù)：6.30物質(zhì)（乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)）密度介電常數(shù)折光率環(huán)己烷（0）0.77612.0131.42020.05060.78092.2318 1.41660.10190.78352.3720 1.41350.15210.78622.5318 1.41000.20320.79152.7285 1.40690.30380.80213.0924 1.4013圖2 密度-x2圖 圖 1 -x2圖圖 3 折光率n-x2圖根據(jù)前文所述，-x2圖的斜率為1，計算出的值為1.7099；-x2圖的斜率為1，計算出的值為

12、0.1091；n-x2圖的斜率為n1，計算出的值為-0.0428。于是有P=P2=9.51985×10-5m3/molR2=limx20R2=2.3648×10-5m3/mol=90kbT(P2-R2)NA=6.2440×10-30C.m=1.87D考慮到在實驗中，我們采用了高頻代替中頻的方法，而實際上，P原子占P變形的5%-15%，將這部分影響考慮進(jìn)去，那么的取值應(yīng)該是在1.82-1.86之間。從CRC上查得乙酸乙酯在25時的分子偶極矩等于1.78D，所以，實驗值與文獻(xiàn)值的相對誤差為2.2%-4.5%。因為實驗值密度的測定等方面會引起誤差，所以，此實驗值可以說較

13、為準(zhǔn)確。另外，P2-R2一項中，由于兩個式子的后半部分基本相同，所以對數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了一遍計算，用以考察該部分是否可以在計算中進(jìn)行忽略。在忽略該部分之后（同時忽略P原子的影響），得到=1.87，與不忽略時的結(jié)果在有效數(shù)字之內(nèi)是一致的，說明，在計算中，該部分確實可以進(jìn)行忽略計算。3結(jié)論3.1溶液配制中的問題本次試驗中，在進(jìn)行稱量法配制一定摩爾分?jǐn)?shù)的乙酸乙酯溶液時，采用的是量取定量體積，然后進(jìn)行準(zhǔn)確稱量的方法。這種方法相對于直接稱取質(zhì)量的多進(jìn)行了體積的量取步驟。但是，由于實驗所使用的試劑（乙酸乙酯和環(huán)己烷）都具有較大的揮發(fā)性，由于質(zhì)量要在一定范圍，在直接進(jìn)行稱量配置時后面都需要緩慢滴加，容易導(dǎo)致質(zhì)量稱取不準(zhǔn)確。相反，提及量取的方法，盡管步驟繁瑣，但是由于體積量取后直接移入容量瓶立即進(jìn)行稱量，試劑揮發(fā)量相對來說比較少，所以質(zhì)量稱取更加精準(zhǔn)。3.2密度測定的誤差實驗采用密度瓶法進(jìn)行密度測定，密度瓶的體積用水進(jìn)行精準(zhǔn)的標(biāo)定。但是，由于實驗試劑的揮發(fā)性遠(yuǎn)大于水的揮發(fā)性，密度瓶上方為毛細(xì)管口，在樣品移入之后很快揮發(fā)，導(dǎo)致質(zhì)量