溶液法测定极性分子的偶极矩实验报告

2012级有机化学实验设计性实验报告

题目：溶液法测定极性分子的偶极矩

报告作者： 专业名称： 化学教育 行政班级：2012化学教育三班

学生学号： 20122401115 指导老师： 实验时间： 2014年10月14日 提交时间： 2014年10月23日

一、实验目的

1.用溶液法测定正丁醇的偶极矩 2.了解偶极矩与分子电性质的关系 3.掌握溶液法测定偶极矩的实验技术

二、实验原理 1.偶极矩与极化度

(1)两个大小相等方向相反的电荷体系的偶极矩定义为，度量分子极性的大小。

①

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；μ是一个矢量，其方向规定为从正到负。因分子中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10-30C·m。 (2)极化程度可用摩尔定向极化度P定向来衡量： P定向=4/3πNA*μ02/(3kT)=4/9πNA*μ02/(kT) ②

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Pμ来衡量。Pμ与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度T成反比。

(3)极性分子所产生的摩尔极化度P是摩尔定向极化度、摩尔电子诱导极化度和摩尔原子诱导极化度的总和：

P=P定向+P诱导=P定向+P电子+P原子 ③ 2.摩尔极化度的计算

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 ε 之间的关系式。

P?ε－1M×ε＋2ρ ④

→

式中，M为被测物质的摩尔质量；ρ 为该物质的密度；ε 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，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④可以写成：

P1，2?ε1，Mx?M2x22－1×11?x1P1?x2P2ε1，＋2ρ21,2 ⑤

2

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

1表示溶剂的摩尔极化度；P2表示溶质的摩尔极化度。 溶质的摩尔分数；P对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则

P1?P1?0ε1－1M1×ε1＋2ρ1 ⑥

0P2－x1PP2?x1P1P2?1，?1，x2x2 ⑦

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

ε1，2?ε1?ax2 ⑧

ρ1,2?ρ1?bx2 ⑨

ε1?1M1?ε1?ax2?1M1x1?M2x2??x?1?ε?ax?2ρ1?bx2ε1?2ρ1?12??limP?limP2x2?02x2?0?x2????????

?

3aε1M1ε1?1M2?bM1???2ρ1?ε1?2?ρ1ε1?2 ⑩

做ε1，2-x2图，根据式⑤由直线测得斜率a，截距ε1；作ρ1,2 -x2图，并根据式 由 ⑨直线测得斜率b，截距ρ1，代入式⑩得

P?2

三、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

P?Re?2n?1M2?bM16n1M1c?limR2?12??22x2?0ρ1n1?2n1?2ρ1 ?

22??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 。

四、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

3

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ε称为该电解质的介电常数：

??C ? C0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?Cx ? C样品对于给定的电容池，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?Cx?C空 ?

?C?C?Cx标?标又因为

C标C标 ?? ?C0C空可得

??C?空C标 Cx?C?空? ?

?标?1??C?空C标 ?

?标?1 C0?计算出 Cx 、C0 之后，根据式⑥和式?可得样品的介电常数：

??C?xC溶 ?溶? ?

C0五、偶极矩的计算

通过上述步骤分别计算出P2 、R2之后，根据式②可得：

?9kP2??R2T?μ??0.128P2??R2T4πNA?????? ?

4

3.偶极矩的测定方法（溶液法测定偶极矩）

原理：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公式式中的P。 (1)无限稀释时溶质的摩尔极化度的公式：

P=P2∞=3αε1/(ε1+2)2 * Μ1/ρ1 + (ε1-1)/(ε1+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1 (2)习惯上用溶质的摩尔折射度R2表示高频区测得的摩尔极化度，因为此时P定向=0，P原子=0，推导出无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式： P电子=R2∞=n2-1/(n12+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1+6n12Μ1γ/[(n12+2)2*ρ1] (3) 近似公式： ε

溶

=ε1(1+α* x2)

ρ溶=ρ1(1+β*x2) n溶=n1(1-γ*x2) (4) 永久偶极矩的获得

考虑到摩尔原子诱导极化度通常只有摩尔电子极化度的5%-15%，而且P定向又比P

原子

大得多，故常常忽略P原子，可得P定向=P2∞-R2∞=4/9πNA*μ02/(kT)

μ0=0.0128*[(P2∞-R2∞)*T]1/2 (5)介电常数的测定：用空气与一已知介电常数ε

空

溶

的标准物质分别测得电容C/

，C/标

C/空=C空+Cd= C0+Cd C/标=C标+Cd

则通过上两式可求得C0=（C/标-C/空）/（ε

标

标

-1） Cd=C/空-C0=C/空-（C/标-C/空）/（ε

-1）

溶

ε

= C溶/ C0=（C/溶- Cd）/ C0

三、仪器和试剂

1、仪器：阿贝折光仪1台,编号14UC1089；电容测量仪一台；电容池一台；电子天平一台；电吹风一只；25ml容量瓶4支；5ml、1ml移液管各一支；滴管5只；吸耳球一个；

2、试剂：正丁醇（分析纯）；环己烷（分析纯）；蒸馏水；自来水

5

四、实验步骤

1.读取当天实验室的温度 2.溶液的配制

将4个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶质量。在空瓶内分别加入1ml,2ml，3ml，4ml的正丁醇在称重。然后加环己烷至刻度，称重。操作时应防止溶质、溶剂的挥发以及吸收性较大的水汽。为此，溶液配好后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器中。记录数据。 3.折光率的测定

用阿贝折射计测定自来水、环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需要加样两次，读取数据，计算时取平均值。 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)

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。分别测量空气、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。 5.清洗、整理仪器

上述实验步骤完成后，确认实验数据的合理性。确认完毕，将剩余溶液回收，容量瓶、比重管、针筒洗净、吹干。整理实验台，仪器恢复实验前的摆放。

六、数据记录和处理 （一）数据记录

1. 实验室当天气温27.3℃ 2. 溶液的配制 项目 空瓶/g 1 21.8333 2 22.0563 23.8980 41.5033 6

3 19.8409 22.5187 39.3353 4 21.4963 25.0545 41.1109 加入正丁醇/g 22.7088 加入环己烷/g 41.1552

3. 折光率的测定

样品 n 第1次 第2次 n平均 环己烷 1.4214 1.4214 1.4214 水 1 1.3307 / / 1.4189 1.4188 1.4189 2 3 4 1.4095 1.4095 1.4095 1.4158 1.4124 1.4158 1.4158 1.4124 1.4124

3.介电常数的测定 C/pF 第1次 第2次 C平均 3.6 空气 环己烷 1 3.6 5.9 6.0 5.95 6.4 6.5 6.45 2 7.0 7.0 7.0 样品 3 7.3 7.2 7.25 4 7.6 7.4 7.5 （二）数据处理

1、实验试剂各物质的摩尔质量 M1环己烷C6H12：84

M2乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88 2、折光率计算

①表一数据结果

溶液摩尔分数x的计算 空瓶(g) 空瓶+乙酸乙酯(g) 空瓶+乙酸乙酯+环己烷(g) 溶液中乙酸乙酯质量(g) 溶液中乙酸乙酯尔数(mol) 1.0ml 21.8333 22.7088 41.1552 0.8755 0.0099 7

2.0ml 22.0563 23.8980 41.5033 1.8417 0.0209 3.0ml 4.0ml 19.8409 21.4963 22.5187 25.0545 39.3353 41.1109 2.6778 0.0304 3.5582 0.0404

溶液中环己烷质量(g) 溶液中环己烷摩尔数(mol) 乙酸乙酯摩尔分数x2 溶液质量(g) 溶液密度(g/ml) 18.4464 0.2196 0.0433 19.3219 0.7729 17.6053 0.2096 0.0908 19.4470 0.7779 16.8166 16.0564 0.2002 0.1319 0.1911 0.1746

19.4944 19.6146 0.7798 0.7846

表二折光率实验数据 nI nII n平均 表三溶质摩尔分数x的计算

环己烷 0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml 环己烷 1.4214 1.4214 1.4214 1.0ml 1.4188 1.4189 1.4189 2.0ml 1.4158 1.4158 1.4158 3.0ml 1.4124 1.4124 1.4124 4.0ml 1.4095 1.4095 1.4095

n1,2 1.4214 1.4189 1.4158 1.4124 1.4095 x2 0.0000 0.0433 0.0908 0.1319 0.1746

②折射率n1.2和摩尔溶液分数x的工作曲线

由图像分析可知：斜率为c=-0.0692 截距为1.4217

8

相关系数为 0.9965 3、介电常数的计算

①环境温度27.3℃ 空气电容 3.6（PF） ②表一电容数据

C1 (PF) C2 (PF) C平均(PF) ③环己烷介电常数

环己烷 5.90 6.00 5.95 1.0ml 6.40 6.50 6.45 2.0ml 7.00 7.00 7.00 3.0ml 7.30 7.20 7.25 4.0ml 7.60 7.40 7.50

?环?2.023?0.0016(t?20) ε=2.01132

Cx=1.28

C0= 2.32

③各溶液的介电常数

0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml 介电常数ε 2.226 2.463 2.571 2.678 x2 0.0433 0.0908 0.1319 0.1746

④介电常数ε-x2图像

9

由图像分析可知；直线的斜率a=3.3842 截距是2.112 相关系数是0.966

④密度ρ-x2

0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml 密度ρ(g/ml) 0.7729 0.7779 0.7798 0.7846 x2 0.0433 0.0908 0.1319 0.1746

⑤密度ρ-x2曲线

10

由图像分析可知：直线的斜率是b=0.0853 截距是0.7694 相关系数是0.9797 根据公式

P2??3a?1M1?1?1M2?bM1???2(?1?2)?1?1?2?1

?P2求得 =166.8058

⑤曲线相关数据记录1

a b ε1 M1 ρ1 M2 根据公式

斜率斜率 3.3827 0.0853 2.1120

84 0.7694

88

环己烷介电常数 环己烷分子量 环己烷密度 乙酸乙酯分子量 n1?1M2?bM16n12M1cPe?R?limR2?2??22x2?0?(n?2)?1n1?211

?22求得

Pe=21.0126

⑥曲线相关数据记录2

斜率c b n1 n12 M1 ρ1 M2 根据公式

斜率 -0.0690 0.0853 1.4214 2.0204

84 0.7694

88

环己烷折光率 环己烷分子量 环己烷密度 乙酸乙酯分子量 11

?9k(P2??R2)T????0.0128(P2??R2)T4?NA

⑦计算偶极矩

求得?=2.6783 六、分析讨论

1.分析本实验误差的主要来源，如何改进？

答:(1)溶液的配制：移液管使用过程中量取溶液并不十分精确，会导致溶液配置的时候X2的值与要求值有一定的偏差。所以，在移液的过程中要保证移液管使用操作迅速准确。

(2)折光率的测定：折光率的线性还比较好，测量中除了取样，试剂瓶盖子应随时盖好．以免样品挥发影响溶液浓度。而且样品滴加要均匀，用量不能太少，以免测量不准确。

(3)介电常数的测定：仪器不是很稳定，而且并未用移液管移取1mL,而是用每种溶液的专用滴管吸取50滴，滴管的构造不一样，也导致了移取的样品量不一致，这是造成介电常数与浓度关系的线性很差的两个原因。应该用同一个移液管准确移取，且每次都要用丙酮洗净用待测液润洗，而且在重新装样前，为了证实电容池电极间的残余液确已除净，须先测量空气的电容值，待空气的电容值恢复到测量之前，或者在±0.05pF的误差范围内，方可进行下一次测量。

(4)溶液密度的测定：因为电子天平非常灵敏，当有电吹风在吹或稍有动静时，读数就变得很厉害，两次测量的数据都会很不一样，所以每个样品测了两次，取了比较合理的数据。减小误差的方法是确保每次装样品前比重管都要洗净吹干（内外管壁都是），溶液要装满比重管，且外壁不能沾溶液，测量的环境要尽可能安静。 八、参考文献

[1] 何广平等编著. 物理化学实验. 北京：化学工业出版社，2008.

[2] 傅献霞，沈文霞等编. 物理化学. 第4版. 北京：高等教育出版社，1990. [3] 曾平,蓝庭钊,陈联群等.溶液法测定偶极矩实验的改进[J].内江师范学院学报,2007,22(4):71-73,125.DOI:10.3969/j.issn.1671-1785.2007.04.021.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/crh.html