稀溶液法測定偶極矩

1、化學(xué)與環(huán)境學(xué)院結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)項目： 稀溶液法測定偶極矩 學(xué)生姓名： 吳舜華 學(xué)號： 年級、班級： 12級化教（5）班 實(shí)驗(yàn)時間： 2014年10月30日 指導(dǎo)老師： 彭彬老師 稀溶液法測定偶極矩 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 掌握溶液法測定偶極矩的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)2. 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系3. 測定正丁醇的偶極矩【實(shí)驗(yàn)原理】1 偶極矩與極化度分子結(jié)構(gòu)可以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。由于空間構(gòu)型的不同，其正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。 圖1電偶極矩示意圖 圖2極性分子在電場作用下的定向1912年，德拜提出“偶極矩”的概念來度

2、量分子極性的大小，其定義是 式中，q是正負(fù)電荷中心所帶的電量；d為正負(fù)電荷中心之間的距離；是一個矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間的距離的數(shù)量級為10-10m，電荷的數(shù)量級為10-20C，所以偶極矩的數(shù)量級是10-30Cm。通過偶極矩的測定，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(yùn)動，偶極矩指向某個方向的機(jī)會均等。所以偶極矩的統(tǒng)計值等于零。若將極性分子置于均勻的電場E中，則偶極矩在電場的作用下，趨向電場方向排列。這時稱這些分子被極化了。極化的程度可以用摩爾轉(zhuǎn)向極化度P來衡量。P與永久偶極矩的平方

3、成正比，與絕對溫度T成反比。 式中，k為波茲曼常數(shù)；NA為阿弗加德羅常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；為分子的永久偶極矩。在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子，都會發(fā)生電子云對分子骨架的相對移動，分子骨架也會發(fā)生形變。這稱為誘導(dǎo)極化或變形極化。用摩爾誘導(dǎo)極化度P誘導(dǎo)來衡量。顯然，P誘導(dǎo)可分為兩項，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此 P誘導(dǎo) = Pe + Pa 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(dāng)處于頻率小于1010HZ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+ Pe +Pa 如何從測得的摩爾極化度P中分別出P的貢

4、獻(xiàn)呢？介電常數(shù)實(shí)際上是在107HZ一下的頻率測定的，測得的極化度為 P+ Pe +Pa。若把頻率提高到紅外范圍，分子已經(jīng)來不及轉(zhuǎn)向，此時測得的極化度只有Pe和Pa的貢獻(xiàn)了。所以從按介電常數(shù)計算的P中減去紅外線頻率范圍測得的極化，就等于P，在實(shí)驗(yàn)上，若把頻率提高到可見光范圍，則原子極化也可以忽略，則在可見光范圍： P =P -( Pe +Pa) P - Pe 2. 摩爾極化度的計算克勞休斯、莫索和德拜從電磁場理論得到了摩爾極化度P與介電常數(shù) 之間的關(guān)系式。 式中，M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量； 為該物質(zhì)的密度； 是介電常數(shù)。但式是假定分子與分子間沒有相互作用而推導(dǎo)得到的。所以它只適用于溫度不大低的氣相

5、體系，對某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。因襲后來就提出了用一種溶液來解決這一困難。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的溶質(zhì)的摩爾極化度可以看作是式中的P。在稀溶液中，若不考慮極性分子間相互作用和溶劑化現(xiàn)象，溶劑和溶質(zhì)的摩爾極化度等物理量可以被認(rèn)為是具有可加性。因此，式可以寫成： 式中，下標(biāo)1表示溶劑；下標(biāo)2表示溶質(zhì)；x1表示溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)；x2表示溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；表示溶劑的摩爾極化度；表示溶質(zhì)的摩爾極化度。對于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤?，則 Hedestrand 首先推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式，指出在稀溶液中溶液的介電常數(shù)和

6、密度可以表示為 因此 做1，2-x2圖，根據(jù)式由直線測得斜率a，截距1；作1,2 -x2圖，并根據(jù)式 由直線測得斜率b，截距1，代入式得3. 由折光度計算電子極化度Pe電子極化度可以使用摩爾折光度R代替，即 根據(jù)測量的溶液折射率n1,2作圖n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式計算出Pe 。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。如果在電容器的兩個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)的電容器兩板間電勢差就會減少。設(shè)C0為極板間處于真空時的電容量，C為充以電解質(zhì)時的電容量，則C與C0的比值稱為該電解質(zhì)的介電常數(shù)： = 法拉第在18

7、37年就解釋了這一現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于電解質(zhì)在電場中極化而引起的。極化作用形成一個反向電場，因而抵消了一部分外加電場。測定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價格昂貴。本實(shí)驗(yàn)中采用電橋法。實(shí)際所測得的電容C樣品包括了樣品的電容C樣品和電容池的分布電容Cx兩部分，即 C樣品 = C樣品 + Cx 對于給定的電容池，必須先測出其分布電容 Cx?？梢韵葴y出以空氣為介質(zhì)的電容，記為C空 ，再用一種已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測得其電容C標(biāo) 。 C空 = C空 + Cx C標(biāo) = C標(biāo) + Cx 又因?yàn)?標(biāo) = 可得 Cx = C空 C0 = 計算出

8、 Cx 、C0 之后，根據(jù)式和式可得樣品的介電常數(shù)： 溶 = 5. 偶極矩的計算 通過上述步驟分別計算出 、之后，根據(jù)式可得： 【儀器與試劑】（1） 儀器 電容測量儀、25mL容量瓶，移液管、電子天平、阿貝折射儀（編號）、滴管、燒杯、洗耳球、干燥器等。（2） 試劑乙酸乙酯 分析純環(huán)己烷 分析純丙酮 分析純【實(shí)驗(yàn)步驟】1. 溶液配制將4個干燥的25mL容量瓶編號，稱量并記錄空瓶重量。在空瓶內(nèi)分別加入1.0mL、2.0mL、3.0mL和4.0mL的乙酸乙酯再稱重。然后加環(huán)己烷至刻度線，稱重。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汽。為此，溶液配好以后應(yīng)迅速蓋上瓶塞，并置于干燥器中。2

9、. 折射率的測定用阿貝折射儀測定環(huán)己烷及配制溶液的折射率，注意測定時各樣品需加樣兩次，讀取數(shù)據(jù)，計算時取平均值。3. 介電常數(shù)的測定本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)己烷作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其介電常數(shù)的溫度公式為：環(huán) = 2.023-0.0016(t-20)式中，t為溫度，。打開電容測量儀，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄空氣的電容值。分別測量純環(huán)己烷和配制的4個樣品溶液的電容，記錄測量的數(shù)據(jù)。每個樣品測量兩次，計算時取平均值。測量一個樣品后，需用濾紙把殘留樣品吸干，待揮發(fā)一會，才能繼續(xù)性測量。 【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄】1.原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)室溫：29.0表1 溶液配制項目1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶(g)20.7361 26.30

10、24 19.8995 25.8661 空瓶+乙酸乙酯(g)21.6290 28.0746 22.6155 29.4107 空瓶+乙酸乙酯+環(huán)己烷(g)40.0602 45.7379 39.4477 45.5114 表2 折射率測定蒸餾水環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml第一次nI1.33281.4221 1.4194 1.4166 1.4130 1.4104 第二次nII1.33271.4220 1.4194 1.4165 1.4129 1.4104 表3 電容測定溫度： 29 空氣的電容： 5.5PF 環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlC1 (PF)8.10 8.30

11、 8.50 8.90 9.20 C2 (PF)8.00 8.40 8.50 8.80 9.20 【數(shù)據(jù)處理】（1）溶液摩爾分?jǐn)?shù)x的計算表4 溶液配制乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88 環(huán)己烷C6H12,分子量:84項目1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶(g)20.7361 26.3024 19.8995 25.8661 空瓶+乙酸乙酯(g)21.6290 28.0746 22.6155 29.4107 空瓶+乙酸乙酯+環(huán)己烷(g)40.0602 45.7379 39.4477 45.5114 溶液中乙酸乙酯質(zhì)量(g)0.8929 1.7722 2.7160 3.5446 溶液中乙酸乙

12、酯爾數(shù)(mol)0.0101 0.0201 0.0309 0.0403 溶液中環(huán)己烷質(zhì)量(g)18.4312 17.6633 16.8322 16.1007 溶液中環(huán)己烷摩爾數(shù)(mol)0.2194 0.2103 0.2004 0.1917 乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x2（%）0.0442 0.0874 0.1335 0.1737 溶液質(zhì)量(g)19.3241 19.4355 19.5482 19.6453 溶液密度(g/ml)0.7730 0.7774 0.7819 0.7858 計算：1 乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x2的計算：2 溶液密度的計算： （V=25mL）（2）繪制折射率n1,2和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的工

13、作曲線，求出斜率c。 表5 折射率測定蒸餾水環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml第一次nI1.33281.4221 1.4194 1.4166 1.4130 1.4104 第二次nII1.33271.4220 1.4194 1.4165 1.4129 1.4104 平均值n平均1.33281.4221 1.4194 1.4166 1.4130 1.4104 表6 折射率n1,2 和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的關(guān)系n1,2校正后的折射率n1,2 x2環(huán)己烷1.4221 1.42140.0000 0.5ml1.4194 1.41870.0442 1.0ml1.4166 1.41590.0874 1

14、.5ml1.4130 1.41230.1335 2.0ml1.4104 1.40970.1737 計算：查數(shù)據(jù)可知，在29室溫下。水的折射率為n水=1.3321，則，n=n水 - n平均水= - 0.0007校正后的折射率為：n1,2 =n1,2 + n繪制折射率n1,2 和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線圖1 折射率n1,2 和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線圖根據(jù)最小二乘法求得：斜率（Slope）b=-0.06826；截距（Intercept）a=1.42159，則關(guān)系曲線的方程為：y= -0.06826x+1.42159；相關(guān)系數(shù)r=-0.9991（3）計算環(huán)乙烷的介電常數(shù)，求出電容池的分布電容Cx

15、表7 電容測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlC1 (PF)8.10 8.30 8.50 8.90 9.20 C2 (PF)8.00 8.40 8.50 8.80 9.20 C平均(PF)8.05 8.35 8.50 8.85 9.20 環(huán)己烷介電常數(shù)： =2.0086 根據(jù)式 Cx = C空 計算得：Cx=2.97 根據(jù)式 C0 = 計算得，C0=2.53（4） 計算溶液的介電常數(shù)表8 溶液的介電常數(shù)與溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的關(guān)系環(huán)己烷介電常數(shù)x20.5ml2.127 0.0442 1.0ml2.187 0.0874 1.5ml2.325 0.1335 2.0ml2.463

16、0.1737 計算：根據(jù)式 溶 = 得：溶1 =2.127溶2 =2.187溶3 =2.325溶4 =2.463 （5）繪制-x2工作曲線，由直線測得斜率a，截距1圖2 -x2工作曲線根據(jù)最小二乘法求得：斜率（Slope）a=2.63264；截距（Intercept）1=1.9867，則關(guān)系曲線的方程為：y=2.63264x+1.9867；相關(guān)系數(shù)r=-0.98511（6）繪制1，2-x2的工作曲線，由直線測得斜率b，截距1表9 溶液密度1，2與溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的關(guān)系密度(g/ml)x20.5ml0.7730 0.0442 1.0ml0.7774 0.0874 1.5ml0.7819 0.13

17、35 2.0ml0.7858 0.1737 繪制1，2-x2的工作曲線：圖3 1，2-x2工作曲線根據(jù)最小二乘法求得：斜率（Slope）b=0.09872；截距（Intercept）1=0.7687，則關(guān)系曲線的方程為：y=0.09872x+0.7687；相關(guān)系數(shù)r=-0.99994（9） 計算摩爾轉(zhuǎn)向極化度P，計算偶極矩整理數(shù)據(jù)如下表：a斜率 2.63264 b斜率 0.09872 1環(huán)己烷介電常數(shù)1.9865 M1環(huán)己烷分子量84 1環(huán)己烷密度0.7687 M2乙酸乙酯分子量88 計算：c斜率 -0.06826 b斜率 0.09872 n1環(huán)己烷折光率1.4214 n122.0203 M1

18、環(huán)己烷分子量84 1環(huán)己烷密度0.7687 M2乙酸乙酯分子量88 計算：6、 結(jié)果討論與思考1、 從圖1、2、3明顯得可以看出三條關(guān)系曲線的線性還是很不錯的，除了圖2的相關(guān)系數(shù)較差外（但仍在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)），其他兩個圖的線性都非常好，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確。而造成圖2線性不佳的原因主要原因：電測量儀測量的時候讀數(shù)不穩(wěn)定，所以我們采用粗略讀數(shù)，即精確到小數(shù)點(diǎn)后第一位，可能導(dǎo)致一定的誤差；溶液本身容易揮發(fā)，而在到測電容已是溶液配置后的一段時間，溶液部分揮發(fā)可能導(dǎo)致溶液摩爾分?jǐn)?shù)不太準(zhǔn)確，存在一定誤差；操作者有2人，容易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；溶液法測得的溶質(zhì)偶極矩和氣相測得的真空值之間存在著偏差,造成這種

19、偏差現(xiàn)象主要是由于在溶液中存在有溶質(zhì)分子與溶劑分子以及溶劑分子與溶劑分子間作用的溶劑效應(yīng).2、 實(shí)驗(yàn)注意事項：(1)溶液的配制：移液管使用過程中量取溶液并不十分精確，會導(dǎo)致溶液配置的時候X2的值與要求值有一定的偏差。所以，在移液的過程中要保證移液管使用操作迅速準(zhǔn)確。(2) 折光率的測定：折光率的線性還比較好，測量中除了取樣，試劑瓶蓋子應(yīng)隨時蓋好以免樣品揮發(fā)影響溶液濃度。而且樣品滴加要均勻，用量不能太少，以免測量不準(zhǔn)確。(3)介電常數(shù)的測定：儀器不是很穩(wěn)定，測定樣品的量盡可能控制一樣，這是造成介電常數(shù)與濃度關(guān)系的線性很差的重要原因。而且在重新裝樣前，稍等一會兒再裝液體，保證電容池電極間的殘余液確已揮發(fā)完。(4)溶液密度的測定：因?yàn)殡娮犹炱椒浅ｌ`敏，當(dāng)有電吹風(fēng)在吹或稍有動靜時，讀數(shù)就變得