结构化学实验稀溶液测定偶极矩.docx

1、结构化学实验稀溶液测定偶极矩华 南 师 范 大 学 实 验 报 告 课程名称 结构化学实验 实验项目 稀溶液法测定偶极矩 1、实验目的1. 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术2. 了解偶极矩与分子电性质的关系3. 测定乙酸乙酯的偶极矩2、实验原理1偶极矩与极化度分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核及内层电子）所构成。由于空间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。1912年，德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义是 式中，q是正负电荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；是一个矢量，其方向规定为从正到负。因分子中

2、原子间的距离的数量级为10-10m，电荷的数量级为10-20C，所以偶极矩的数量级是10-30Cm。通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称性，可以用来鉴别几何异构体和分子的立体结构等。极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向某个方向的机会均等。所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场E中，则偶极矩在电场的作用下，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度P来衡量。P与永久偶极矩的平方成正比，与绝对温度T成反比。 式中，k为波兹曼常数；NA为阿弗加德罗常数；T为热力学温度；为分子的永久偶极矩。在外电场作用下，不论极

3、性分子或非极性分子，都会发生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会发生形变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度P诱导来衡量。显然，P诱导可分为两项，即电子极化度Pe和原子极化度Pa，因此 P诱导 = Pe + Pa 如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。当处于频率小于1010HZ的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度P是转向极化、电子极化和原子极化的总和。 P = P+ Pe +Pa 如何从测得的摩尔极化度P中分别出P的贡献呢？介电常数实际上是在107HZ一下的频率测定的，测得的极化度为 P+ Pe +Pa。若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，

4、此时测得的极化度只有Pe和Pa的贡献了。所以从按介电常数计算的P中减去红外线频率范围测得的极化，就等于P，在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽略，则在可见光范围： P =P -( Pe +Pa) P - Pe 2. 摩尔极化度的计算克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数 之间的关系式。 式中，M为被测物质的摩尔质量； 为该物质的密度； 是介电常数。但式是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的气相体系，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。因袭后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂中，溶

5、质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是式中的P。在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。因此，式可以写成： 式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；x1表示溶剂的摩尔分数；x2表示溶质的摩尔分数；表示溶剂的摩尔极化度；表示溶质的摩尔极化度。对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则 Hedestrand 首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为 因此 做1，2-x2图，根据式由直线测得斜率a，截距1；作1,2 -x2图，并根据式 由直线测得斜率b，截距1，代入

6、式得3. 由折光度计算电子极化度Pe电子极化度可以使用摩尔折光度R代替，即 根据测量的溶液折射率n1,2作图n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式计算出Pe 。4. 介电常数的测定介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质的电容器两板间电势差就会减少。设C0为极板间处于真空时的电容量，C为充以电解质时的电容量，则C与C0的比值称为该电解质的介电常数： = 法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是由于电解质在电场中极化而引起的。极化作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。测定电容的方法一

7、般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干扰性能好，精度高，但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所测得的电容C样品包括了样品的电容C样品和电容池的分布电容Cx两部分，即 C样品 = C样品 + Cx 对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 Cx。可以先测出以空气为介质的电容，记为C空 ，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容C标 。 C空 = C空 + Cx C标 = C标 + Cx 又因为 标 =可得 Cx = C空 C0 = 计算出 Cx 、C0 之后，根据式和式可得样品的介电常数： 溶 = 5. 偶极矩的计算 通过上述步骤分别计算出 、之后，根据式可得： 3、仪

8、器与试剂（1）仪器 电容测量仪、25mL容量瓶，移液管、电子天平、阿贝折射仪、滴管、烧杯、洗耳球、干燥器等。（2）试剂乙酸乙酯 分析纯环己烷 分析纯丙酮 分析纯4、实验步骤1. 溶液配制将四个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。在空瓶内分别加入0.5mL、1.0mL、1.5mL和2.0mL的正丁醇再称重。然后加环己烷至刻度线，称重。操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。为此，溶液配好以后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器中。2. 折射率的测定用阿贝折射仪测定环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需加样两次，读取数据，计算时取平均值。3. 介电常数的测定本实验采用环己烷作为标准

9、物质，其介电常数的温度公式为：环 = 2.023-0.0016(t-20)式中，t为温度，。打开电容测量仪，待读数稳定后，记录空气的电容值。分别测量纯环己烷和配制的4个样品溶液的电容，记录测量的数据。每个样品测量两次，计算时取平均值。测量一个样品后，需用滤纸把残留样品吸干，才能继续性测量。 五、数据处理1. 数据记录表表一：溶液配制乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88环己烷C6H12,分子量:840.5ml1.0ml1.5ml2.0ml空瓶(g)20.9420 18.4953 17.7210 21.3122 空瓶+乙酸乙酯(g)21.3956 19.3909 19.0512 23.0960 空瓶

10、+乙酸乙酯+环己烷(g)40.2404 37.9354 37.1855 40.8041 溶液中乙酸乙酯质量(g)0.4536 0.8956 1.3302 1.7838 溶液中乙酸乙酯尔数(mol)0.0052 0.0102 0.0151 0.0203 溶液中环己烷质量(g)18.8448 18.5445 18.1343 17.7081 溶液中环己烷摩尔数(mol)0.2243 0.2208 0.2159 0.2108 乙酸乙酯摩尔分数x20.0225 0.0441 0.0654 0.0877 溶液质量(g)19.2984 19.4401 19.4645 19.4919 5毫升溶液+容量瓶的质量

11、g19.552815.585220.830120.52255毫升溶液的质量g23.40419.441924.69524.398溶液密度(g/ml)0.7702 0.7713 0.7730 0.7751 表二：折射率测定实验数据：测量次数环己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0ml第一次1.4245 1.4230 1.4216 1.4199 1.4186 第二次1.4244 1.4230 1.4214 1.4199 1.4183 平均值1.4245 1.4230 1.4215 1.4199 1.4185 表三：电容测定温度： 25.2 空气电容： -0.16 pF 项目环己烷0.5mL 1.0

12、mL1.5mL2.0mL第一次(PF)2.18 2.24 2.29 2.59 2.78 第二次(PF)2.17 2.22 2.28 2.57 2.77 平均值(PF)2.18 2.23 2.29 2.58 2.78 2. 数据处理1溶液摩尔分数x的计算2绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线，并求出斜率c。3计算环己烷的介电常数，求出电容池的分布电容Cx。4计算溶液的介电常数。5绘制-x2 工作曲线，由直线测得斜率a，截距1。6绘制作1,2 -x2 工作曲线，由直线测得斜率b，截距1 。7计算，计算Pe 。8计算P，计算偶极矩。绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线，并求出斜率

13、c。斜率为 -0.0691 截距：1.4245 相关系数：0.9994计算环己烷的介电常数，求出电容池的分布电容Cx。环己烷介电常数： = 2.01468 = -2.46 =2.30 根据 求得各溶液的介电常数溶液取量介电常数x20.5ml2.039 0.0225 1.0ml2.062 0.0441 1.5ml2.191 0.0654 2.0ml2.275 0.0877 3.8627 1.9296 相关系数：0.9461 根据最小二乘法求得斜率和截距 绘制-x2 工作曲线，由直线测得斜率a，截距1斜率 a=3.8627 截距 1=1.9296密度(g/ml)x20.5ml0.7702 0.02

14、25 1.0ml0.7713 0.0441 1.5ml0.7730 0.0654 2.0ml0.7751 0.0877 绘制作1,2 -x2 工作曲线，由直线测得斜率b，截距1 。根据最小二乘法求得斜率和截距为：0.0748 0.7683 相关系数：0.9824 斜率 b=0.0748 截距 1=0.7683 计算，计算Pe 。a斜率3.8627 b斜率0.0748 1环己烷介电常数1.9296 M1环己烷分子量84 1环己烷密度0.7683 M2乙酸乙酯分子量88 =183.4799c斜率-0.0691 b斜率0.0748 n1环己烷折光率1.4245 n122.0291 M1环己烷分子量84 1环己烷密度0.7683 M2乙酸乙酯分子量88 =24.1988计算P，计算偶极矩。 =2.8132