稀溶液法测定偶极矩实验报告华南师范大学物化实验.doc

-稀溶液法测定偶极矩一、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测定正丁醇的偶极矩二、实验原理2.1偶极矩与极化度分子构造可以近似地看成是由电子云和分子骨架原子核及层电子所构成。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1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，的数量级是10-30C·m。通过偶极矩的测定，可以了解分子构造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构造等。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*个方向的时机均等。所以偶极矩的统计值等于零。假设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。2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，不管极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 3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 +Pa4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。假设把频率提高到红外围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有Pe和Pa的奉献了。所以从按介电常数计算的P中减去红外线频率围测得的极化，就等于P，在实验上，假设把频率提高到可见光围，则原子极化也可以忽略，则在可见光围：P =P -( Pe +Pa) P - Pe52.2 摩尔极化度的计算摩尔极化度P与介电常数 之间的关系式。6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6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*种物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的根本想法是，在无限稀释的非极性溶剂中，溶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6中的P。在稀溶液中，假设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6可以写成：7式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；*1表示溶剂的摩尔分数；*2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一样，则89Hedestrand 首先推导出经历公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为1011因此12做1，2-*2图，根据式7由直线测得斜率a，截距1；作1,2 -*2图，并根据式 11由直线测得斜率b，截距1，代入式12得2.3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13根据测量的溶液折射率n1,2作图n1.2-*2，由斜率求出c，就可以按照式13计算出Pe 。2.4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*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，则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： = 14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，因而抵消了一局部外加电场。测定电容的方法一般有电桥法、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C*两局部，即 C'样品 = C样品 + C*15对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 C*。可以先测出以空气为介质的电容，记为C'空 ，再用一种介电常数的标准物质，测得其电容C'标 。 C'空 = C空 + C* C'标 = C标 + C*又因为标 = 可得 C* = C'空 16 C0 = 17计算出 C* 、C0之后，根据式6和式15可得样品的介电常数：溶 = 182.5偶极矩的计算 通过上述步骤分别计算出 、之后，根据式2可得：19三、仪器与试剂3.1仪器电容测量仪器、25mL容量瓶、移液管、电子天平、阿贝折射计、滴管、烧杯、洗耳球、枯燥器等3.2试剂正丁醇分析纯，环己烷分析纯，丙酮分析纯四、实验步骤4.1室温的测定25.64.2 溶液配制将4个枯燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。在空瓶分别参加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，并置于枯燥器中。实验数据见表1.4.3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。实验数据见表2.4.4介电常数的测定本实验采用环己烷作为标准物质，其介电常数的温度公式为：环 = 2.023-0.0016(t-20) 20式中，t为温度，。翻开电容测量仪，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，用吹风机吹干样品池后才能继续测量。注意，用吹风机吹样品池的时候不能用热风，以防样品池温度放生改变带来误差。实验数据见表4.五、数据记录与处理5.1溶液配制数据及计算摩尔分数*2表1.溶液配制数据记录工程0.5mL1.0mL1.5mL2.0mL空瓶(g)26.471926.875528.884626.6669空瓶+乙酸乙酯(g)26.919727.772830.236028.4706空瓶+乙酸乙酯+环己烷(g)45.705746.202448.250346.1058溶液中乙酸乙酯质量(g)0.44780.89731.35141.8037溶液中乙酸乙酯尔数(mol)0.00510.01020.01540.0205溶液中环己烷质量(g)18.786018.429618.014317.6352溶液中环己烷摩尔数(mol)0.22360.21940.21450.2099乙酸乙酯摩尔分数*20.02220.04440.06680.0889溶液质量(g)19.233819.326919.365719.4389溶液密度(g/mL)0.76940.77310.77460.77765.2折射率的测定数据记录表2.折射率的测定数据记录工程环己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mln11.42291.42201.42021.41891.4176n21.42311.42211.42031.41891.4176n平均1.42301.42211.42031.41891.41765.3绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数*2的工作曲线表3. n1,2-*2数据记录表样品参加量n1,2*2环己烷1.42300.00000.5mL1.42210.02221.0mL1.42030.04441.5mL1.41890.0668由工作曲线可知，斜率c为-0.0672。5.4电容的测定数据记录以及相关常数值、电容值的计算表4.电容的测定实验数据测得空气电容C空：-0.11PF 温度t：25.6工程环己烷0.5ml1.0ml1.5ml2.0mlC1 (PF)2.382.592.772.943.08C2 (PF)2.382.592.732.903.10C平均(PF)2.382.592.752.923.09根据环己烷的介电常数温度公式20，求得环己烷的介电常数为标 = 2.023-0.0016(t-20)=2.01404本实验采用环己烷作为标准物质，其电容值为C标=2.38PF由式16求得电容池的分布电容C* = C'空 =-2.57PF由式17求得极板处于真空时的电容C0 = =2.46PF根据式18溶 = ，求得各浓度乙酸乙酯样品的介电常数表5.各摩尔分数乙酸乙酯样品液的介电常数样品参加量摩尔分数*2介电常数0.5mL0.02222.1001.0ml0.04442.1651.5ml0.06682.2342.0ml0.08892.303根据表5，绘出介电常数工作曲线与摩尔分数*2的工作曲线。由工作曲线可得，斜率a=3.0565，截距1=2.0304.5.5绘制溶液密度1,2与摩尔分数*2的工作曲线表6. 溶液密度1,2与摩尔分数*2的数据记录表样品参加量密度(g/mL)*20.5ml0.76940.02221.0ml0.77310.04441.5ml0.77460.06682.0ml0.77760.0889根据工作曲线，可得直线斜率b=0.1176，截距1=0.7671.5.6摩尔极化度的计算根据式12，得乙酸乙酯的摩尔极化度为5.7电子极化度Pe的计算根据式13，得电子极化度5.8偶极矩的计算根据式19，的乙酸乙酯的偶极矩为六、分析与讨论稀溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩，涉及的参数很多，每一个参数的测定都必然会带入误差。假设果要保证实验最终结果的准确性，则每一步都必须按照实验章程，防止操作失误，把系统误差降至最低。实验的第一步是溶液的配制，与常规的溶液配制不同，本次实验中，溶液的配制与溶液的称重是同时进展的。使用吸量管吸取一定量的乙酸乙酯要保证读数准确，于容量瓶中定容时必须保证刻线与凹液面相切。容量瓶要提前贴好标签，乙酸乙酯是挥发性的液体，往容量瓶中加液后，要立刻盖上容量瓶盖。定容后，无需摇匀，否则后使乙酸乙酯挥发速度加快。挥发强度大的时候可观察到分析天平示数一直下降，称量时要关好分析天平的玻璃门以降低空气流速。所有仪器都必须枯燥，不能接触水，洗后要烘干后才可以使用，水是极性分子，会影响到乙酸乙酯偶极矩的测定。实验的第二步是折射率的测定，这一步涉及阿贝折射计的使用。一般来说，往样品台滴加23滴溶液，根本上可以满足测量需要，但是考虑到测量的是挥发性样品，将溶液的滴加数量增加至5滴，滴加后要迅速关上样品台。读数时，要注意小数位的估读，对于同一样品前后两次测量的误差大于0.0003的情况，就应该进展第三次测量。本次折射率的测量，至少要测量15次，加上超过误差围需要重新测量的情况，几乎要测量25次，到后期会感到明显的视觉疲劳，在一定程度上影响读数的准确性，如果时间许可，最好让眼睛稍作休息后再继续试验。试验的第三步是介电常数的测定，这一步要借助于电容测量仪器，测量一个样品后，需要用滤纸将残留样品吸干，等样品池枯燥后在继续测量，否则不同的样品互相影响，导致测量结果失实。另外要尽量保证溶液的组成不变，取完溶液后要立刻盖上容量品盖子，防止乙酸乙酯挥发。本次实验的操作过程不长，但数据处理方面较为繁琐复杂。使用e*cel软件处理数据，输入相关公式可自动生成相应的结果，使用最小二乘法得出工作曲线图。查阅相关文献，关于本实验的改良方法包括电容测量仪器的改造，以及数据处理方法上应用Matlab，SPSS等专业的数据处理软件，以简化数据处理过程，但对软件使用的技术要求较高。或者应用Guggenheim-Smith提出的简化和改良方法，用质量分数对折射率和介电常数作图，可以省去测量溶液密度的步骤。七、参考文献1何广平，南俊民等.物理化学实验M.:化学工业，2008,134-139.2 史振民，竹莲等.溶液法测定偶极矩实验的误差分析及其改良J. 大学学报( 自然科学版)，1996,151：83-87.3 力. 影响偶极矩测定因素分析及解决方法J. 希望月报，2007. z.