物化實驗報告_實驗B偶極矩的測定

1、實驗B 偶極矩的測定摘 要： 本實驗通過測定正丁醇的環(huán)己烷溶液折射率的測定可以計算出溶液的偶極距，根據(jù)介電常數(shù)和密度隨濃度的變化，利用外推法確定線性關(guān)系系數(shù)，從而求得正丁醇的固有偶極矩大小。關(guān)鍵詞：正丁醇 極化度 偶極距 折射率 介質(zhì)常數(shù)The determination of dipole momentAbstract: In this experiment，we determine the refractive indexes,dielectricconstants and density of 1-butyl alcohol and cyclohexane solution under

2、different concentrations.The data are processed to resolve the linear relation constant by using extrepolation, and then we can get the intrinsic dipole moment of 1-butyl alcohol.Keywords:1-Butyl alcohol，Polarizability，Dipole moment，Refractive index，Dielectric constant1. 前言偶極矩是一個向量，方向規(guī)定從負電荷指向正電荷注意，以

3、前化學(xué)上曾經(jīng)約定為相反的方向，但是現(xiàn)在與物理學(xué)采用了一致的約定“從負到正”！電偶極矩的SI制單位為C·m，微觀物理學(xué)中常用的單位為“德拜Debye”，1Debye=3.336E-30C·m。分子的正負電荷中心不重合，可以是這一分子在無外界電場作用下就能表現(xiàn)出的固有屬性此時它被稱為“極性分子”；也可以是正負電荷中心原本重合的“非極性分子”，在外電場作用下發(fā)生了正負電荷中心的相互分離。因此偶極矩大小定量的表現(xiàn)出分子當前極性程度的大小，本實驗就是要測定極性分子正丁醇的固有偶極矩大小。電介質(zhì)分子處于電場中，電場會使非極性分子的正負電荷中心發(fā)生相對位移而變得不重合；電場也會使極性分子

4、的正負電荷中心間距增大，這樣會使分子產(chǎn)生附加的偶極矩（誘導(dǎo)偶極矩）。這種現(xiàn)象稱為分子的變形極化，可以用平均誘導(dǎo)偶極矩m來表示變形極化的程度。在中等強度的電場下設(shè)m=DE內(nèi)式中E內(nèi)為作用于個別分子上的強場，D為變形極化率。因為變形極化產(chǎn)生于兩種因素：分子中電子相對于核的移動和原子核間的微小移動，所以有D=E+A式中E、A分別稱為電子極化率和原子極化率。設(shè)n為單位體積中分子的個數(shù)，根據(jù)體積極化的定義（單位體積中分子的偶極矩之矢量和）有P=nm=nDE內(nèi)為了計算E內(nèi)，考慮勻強電場中分子受到的靜電力：維持勻強電場的電荷所產(chǎn)生的力F1，電介質(zhì)極化產(chǎn)生的感生電荷產(chǎn)生的力F2，單個分子周圍的微小空隙界面上的

5、感生電荷產(chǎn)生的力F3，各分子間的相互作用F4 （忽略）E內(nèi)=E1+E2+E3=4+4P+=E+式中為極板表面電荷密度。平行板電容器內(nèi)電量為定值的條件下：=C/C0=E0/E，式中，C分別為電介質(zhì)的介電常數(shù)和電容器的電容；腳標0對應(yīng)于真空條件下的數(shù)值因為E=4-4=E0-4又E0=E可得式中為感生電荷的面電荷密度。體積極化的等價定義為“單位立方體上下表面的電荷與其間距的積”，所以P=1×=因此，即可得E內(nèi)=P=nDE內(nèi)=，即上式兩邊同乘分子量M和同除以介質(zhì)的密度，并注意到nM/=N0，即得這就是Clausius-Mosotti方程。定義“摩爾變形極化度”電場中的分子除了變形極化外還會產(chǎn)

6、生取向極化，即具有固有偶極矩的分子在電場的作用下，會或多或少地轉(zhuǎn)向電場方向。設(shè)它對極化率的貢獻為PO，總摩爾極化度為P=PD+PO=PE+PA+PO，式中PE、PA、PO分別為摩爾電子極化度，摩爾原子極化度和摩爾取向極化度，由玻爾茲曼分布定律可得：式中為極性分子的固有偶極矩，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度最后得到此式稱為Clausius-Mosotti-Debye方程。將電介質(zhì)置于交變電場中時，其極化情況和電場變化的頻率有關(guān)，交變電場的頻率小于1010Hz時，極性分子的摩爾極化度P中包含了電子、原子和取向的貢獻。若P=PE則=n2，n為介質(zhì)的折射率，這時的摩爾極化度稱為摩爾折射度R：因為PA只

7、有PE的10%左右，一般可以略去，或按PE的10%修正。由略去PA則，代入常數(shù)值得由計算E內(nèi)忽略了分子間相互作用項F4，故需用無限稀的P、R，也即所以我們在實驗中要測不同濃度下的P、R，再用外推法求P和R。由溶劑1和溶劑2組成的溶液體系，在濃度不很高時，其介電常數(shù)、折射率、摩爾極化度以及密度均和濃度成線性關(guān)系，即：=1(1+X2)n=n1(1+X2)P=X1P1+X2P2=1(1+X2)式中X1、X2分別為溶劑和溶質(zhì)的摩爾分數(shù)，、P、n；1、1、P1、n1；2、2、P2、n2分別為溶液、溶劑和溶質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)、密度、摩爾極化度和折射率，、為常數(shù)。由此可得：這樣我們可用交變頻率為1000Hz的交流

8、電橋，測量電容池中各濃度下溶液的電容，用此電容除以真空（代之以空氣）下電容池的電容即得介電常數(shù)；用阿貝折射儀測出可見光下各溶液的折射率n；再用比重瓶和電子天平測出各溶液的密度。由此三組數(shù)據(jù)作擬合可定出、，再代入上兩式算出P和R，最后算出分子的固有偶極矩。2. 實驗部分2.1 儀器與試劑阿貝折射儀一臺；CCJ1型精密電容測量儀一臺；電子天平一臺；超級恒溫槽一臺；干燥器一只；容量瓶（25毫升）6只；電吹風(fēng)一只；比重瓶1只；電容池1只。正丁醇（分析純）74.12 g/mol 環(huán)已烷（分析純）84.16 g/mol2.2 實驗步驟1) 配制正丁醇的環(huán)己烷溶液：對24號容量瓶分別稱重；各加入20mL環(huán)己

9、烷后再分別稱重（1號也加，但不稱重）；依次加入0.5mL、1mL、2mL、3mL正丁醇，再次分別稱重。注意隨時蓋好容量瓶的瓶塞；最后溶液要搖勻。2) 測定各溶液的折射率：用阿貝折光儀測量15號溶液的折射率，每種溶液測量三次。3) 測定各溶液為電介質(zhì)時的電容：先測定以空氣（擬真空）為電介質(zhì)時電容池的電容C0；再依次換用15號溶液作電介質(zhì)，測定電容池的電容。每組電容數(shù)據(jù)測定兩次；注意更換溶液時電容池和電極要清理干凈。4) 測定各溶液的密度：用比重瓶測定15號溶液的密度。使用比重瓶時不要用手直接拿取。3.結(jié)果與討論3.1 實驗結(jié)果正丁醇的固有偶極矩大小 =1.58 Debye與文獻值1.66 Deb

10、ye比較，相對誤差4.8%3.2 誤差分析用比重瓶和電子天平測密度的誤差較大：正丁醇的環(huán)己烷溶液有較強的揮發(fā)性，裝入比重瓶后，如果仔細的慢慢擦拭瓶口附近溢出的溶液，則毛細管上端的液柱總是會回縮產(chǎn)生一段空氣柱。這段空氣柱必然帶來較大的誤差，但是溢出的溶液又不能不擦凈，否則也同樣會帶來較大誤差。恒溫水浴的溫度與室溫：本實驗中，電容、折射率的數(shù)據(jù)是在恒溫水浴的溫度下進行測量的；而配制溶液、測量密度是在接近室溫的條件下進行的；最后我選擇的水的密度以及溫度變量T均為恒溫水浴溫度下相應(yīng)的值。這就要求恒溫水浴溫度盡量接近室溫，本實驗數(shù)據(jù)與文獻值之間誤差的來源也應(yīng)該在此。本實驗測得的溶質(zhì)的偶極矩和氣相測得值之

11、間存在一定偏差，其原因主要在于溶液中溶質(zhì)分子和溶劑分子以及溶劑和溶質(zhì)各分子間相互作用的溶劑效應(yīng)。實驗中在使用阿貝折射儀測量時的估讀誤差大小對結(jié)果的準確性有顯著影響。因此，使視野清晰，色散影響減小對結(jié)果至關(guān)重要，但由于人的視覺分辨率的限制，估讀誤差是不可避免的，所以會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。通過多次測量求平均值可減小偶然誤差。 正丁醇和環(huán)己烷本身極易揮發(fā)，在實驗中，盡管及時加蓋，防止揮發(fā)，但仍會有一定的揮發(fā)量，會產(chǎn)生誤差。參考文獻：1 崔獻英,柯燕雄,單紹純.物理化學(xué)實驗M.中國科技大學(xué)出版社,2000: 2932.2 付獻彩,沈文霞,姚天揚,侯文華.物理化學(xué)(第五版)上冊M.高等教育出版社,200

12、5:277280.附件：實驗數(shù)據(jù)處理1. 數(shù)據(jù)記錄T:19.0空氣電容:5.36 5.34（pF）空瓶質(zhì)量:11.341 g加水質(zhì)量:21.457 gTable1樣品編號稱量法配制樣品 /g折射率 n電容 C' /pF比重瓶質(zhì)量 /g空容量瓶+20mL環(huán)己烷+正丁醇1-1.42611.42621.42607.477.5119.202242.23357.30257.6011.42531.42521.42507.867.8919.206343.48459.23659.9911.42291.42281.42308.058.0119.210445.78061.64863.2181.42201.

13、42181.42218.198.2119.220535.66351.26153.6311.42101.42091.42088.718.6919.2312. 數(shù)據(jù)處理2.1 計算各溶液的摩爾分數(shù)濃度Table 2樣品編號環(huán)己烷重量/g環(huán)己烷摩爾數(shù)/mol正丁醇重量/g正丁醇摩爾數(shù)/mol摩爾分數(shù)濃度 X21-0.00000.0000215.0690.1790520.2990.0040340.022033315.7520.1871670.7550.0101860.051614415.8680.1885461.570.0211820.100997515.5980.1853372.370.031975

14、0.1471392.2 計算各濃度溶液的折射率求參數(shù)Table 3樣品編號折射率 n平均 n11.42611.42621.42601.426121.42531.42521.42501.425231.42291.42281.42301.422941.42201.42181.42211.422051.42101.42091.42081.4209Table 4X20.0000.02200.05160.10100.1471n1.42601.42501.42301.42211.4208Fig 1ParameterValueError-A1.425674.70691E-4B-0.03510.00563-R

15、SDNP-0.963566.72539E-450.0083k= -0.0351b=1.42567= n1= k / b=-0.0351/1.42567=-0.02462.3 由各濃度溶液做電介質(zhì)時電容池的電容求參數(shù)根據(jù)公式：環(huán)= C環(huán)/ Co = 2.0230.0016 ( t20 ) C環(huán)= C環(huán)+ Cd Co= Co+ Cd 可得：C環(huán)/ Co = 2.0230.0016 ( t20 )= 2.0230.0016 ( 1920 )= 2.02468.70= C環(huán)+ Cd5.35= Co+ Cd聯(lián)立解得：Co=3.27Table 5樣品編號電容 C' /pF平均 C' /pF

16、介電常數(shù)17.477.517.491.290527.867.897.881.408338.058.018.031.455748.198.218.201.507658.718.698.701.6606Table 6X20.0000.02200.05160.10100.14711.290521.4082571.4556571.5076451.66055Fig 2ParameterValueError-A1.322670.02672B2.204220.31942-RSDNP-0.969910.0381950.00624k= 2.20422b= 1.32267=1= k / b= 1.66642.4由

17、各濃度溶液的密度求參數(shù)根據(jù)公式：，其中W是加溶液的容量瓶質(zhì)量，W水是加水的容量瓶質(zhì)量，W0是空容量瓶質(zhì)量W水=21.457W0 =11.341水的密度為0.99843 g/cm3。可得密度如下表所示Table 7樣品編號比重瓶質(zhì)量 /g密度(g/mL)119.2020.775866219.2060.776261319.2100.776655419.2200.777642519.2310.778728Table 8X20.0000.02200.05160.10100.14710.7758660.7762610.7766550.7776420.778728Fig 3ParameterValueError-A0.775798.46693E-5B0.019260.00101-RSDNP-