乙醇偶极矩测定

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1、乙醇偶极矩的测定乙醇偶极矩的测定摘要摘要：实验通过测定乙醇的环己烷溶液的折射率及电容，得到了折射率、介电常数与摩尔 分数的线性关系。再利用 Guggenheim 和 Smith 改进的极化度与介电常数之间的关系式，求 出了乙醇的偶极矩。 关键字关键字：乙醇 折射率 介电常数 极化率 1 1 引言引言 分子由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性 分 子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩来表示。偶极矩是物理学中的重要性质， 常用来判断分子的空间构型。可以判断分子内原子排列的几何形状，化学键之间的角度， 而且在有机化学理论上也很重要。本实验通过测量稀溶液的折射率

2、和电容，计算偶极矩。 2 2 实验实验 2.1 实验原理实验原理 2.1.1 偶极矩与极化度偶极矩与极化度 偶极矩是表示分子中电荷分布情况的物理量。其大小可以度量分子的极性，方向由 正电荷到负电荷。偶极矩定义为正负电荷中国心所带的电荷量 q 与正负电荷中心之间 的距离 d 的乘积： = q . d偶极矩的单位习惯上用德拜表示，记为 D，它与国际单位 C.m 的关系为 1D=1*10-18静电单位.厘米=3.334*10-30C.m 极性分子具有永久偶极矩。由于分子热运动，偶就指向各个方向的机会相同，所以偶 极矩的统计值等于零。若将其置于电场 E 中则偶极矩在电厂的作用下会趋向沿电场方 向排列，

3、则成为分子被极化。分子的极化程度可用摩尔转向极化度 P转向来衡量。P转向=43 NA 23KT式中，K 为玻尔兹曼常数，NA为阿伏伽德罗场数。在外电场作用下，所有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 因电厂分布不均衡发生变形，从而发生诱导极化或变形极化。极化程度用摩尔诱导计 划程度 P诱导来衡量，P诱导由电子计划程度 P电子和原子极化程度 P原子组成。即 P诱导=P电子+P原子当分子处于频率小于 10-10s-1的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔转向计 划度 P，是转向极化、电子极化和原子极化的总和： P= P转向+ P电子+P原子在红外频率时，P转向=0，在高频时 P

4、转向=0 且 P原子=0。因此，只需在低频电场下测 得极性分子的摩尔极化度 P，在红外频率下测得摩尔诱导极化度 P诱导，两者相减季得 到极性分子的摩尔转向极化度 P转向，代入公式即可算的永久偶极矩 。 2.1.2 极化度的测定极化度的测定 克劳修斯、莫索蒂和德拜从电磁理论得到了 P 与介电常数 之间的关系式，该关系 式假定分子与分子之间无相互作用：P= - 1 + 2.MM 为被测物质的分子量， 是该物质在 T(K)时的密度， 由实验来测定。 为了省去溶液密度的测量，该公式被改进如下：=27KT4NA M2d1(1 + 2)2 (s - n)式中，d1为溶剂密度，s，n分别如下得到： 设 W2

5、为溶质的质量分数，W2=溶质质量/溶液质量，在稀溶液中，溶液的介电常数 12及折射率的平方 n122与 W2有线性关系： 12=1+s W2 n122=n12+n W2其中 1和 n1分别为溶剂的介电常数和折射率。 2.1.3 介电常数的测定介电常数的测定 介电常数通过测定电容器在不同戒指中的电容量的到：=CC0C 为充以电解质时的电容，C0为真空时的电容。通常空气电容接近 1，介电常数课表达 为：=CC空实验用电桥法测电容，所用仪器为数字小电容测试仪，将待测样品放在电容池的样品 池中测量，但小电容仪所测的 Cx实际上包括了样品电容 C样和电容池的分布电容 Cd。即： Cx=C样+Cd 应从

6、Cx中扣除 Cd。方法如下：用一已知介电常数 标的标准物质测得电容为 C标，再 测电容器不放样品时的电容 C空，近似取 C0=C空，可以导出：C0C空=C标 - C空标 - 1Cd=C空-C标 - C空标 - 12.2 实验仪器实验仪器阿贝折光仪，数字小电容测试仪和电容池，移液管，滴管，洗耳球，吹风机。 2.3 实验步骤实验步骤 2.3.1 绘制绘制 n2-W 曲线曲线 按照下表，准确配置乙醇的环己烷溶液。并测量折光率。在阿贝折光仪上测定上述溶 液的折光率 n，测定两次。平行数据间差值不超过 0.0003。溶液/mL5.05.05.05.05.05.0乙醇/mL00.10.20.30.40.5

7、环己烷/mL5.04.94.84.74.64.52.3.2 测定样品的电容测定样品的电容 1.打开数字小电容测试仪，并预热 5min。电容池插座与电容池的”外电极“连接， ”电容 池“插座与电容池的内电极连接。2.采零，消除系统的零位漂移。 3.测量空气介质的电容。连接”外电极“插座，稳定后读取电容值。拔下插座，回零， 再连接”外电极“插座，读取电容值。三次电容读数的平均值即为 C空。三次读数相差不超 过 0.05PF。 4.测量标准物质电容。用环己烷做标准物质，r 环与 t 的关系为： r 环=2.023-0.0016（t/ 0c-20） 吹干样品池，加入环己烷，使内外液面浸没内外电极，但不

8、接触盖子，盖上盖子，连接”外 电极“插座，读取电容值。重新装样再次测量，三次读数的平均值即为 C标。 5.用上述方法测量样品的电容，每个样品测量三次，取其平均值即为 Cx。测量完毕所 有样品后再测空气的电容。 3 结果及讨论结果及讨论 温度 T=25.40C 3.1 n2-W 曲线曲线（乙醇 d20=0.789,环己烷 d25=0.7739）编号012345溶液/mL5.05.05.05.05.05.0乙醇/mL00.10.20.30.40.5环己烷/mL5.04.94.84.74.64.5溶液的质量分 数 W00.02040.04070.06110.08140.102折射率 n121.423

9、21.42201.42051.41941.41701.4151折射率 n121.42311.42191.42041.41961.41721.4153折射率 n121.42321.42201.42051.41951.41711.4152n1222.0252.0222.0182.0152.0082.003则，n=-0.2223.2 样品电容及介电常数样品电容及介电常数 r 环=2.023-0.0016（t/ 0c-20）=2.023-0.0016*（25.4-20）=2.014 前后测量 2 次空气电容分别为：4.51，4.49，4.49 和 4.35，4.35，4.34。平均值为 4.42。 测

10、量标准物质环己烷电容为：6.83，6.82，6.80。平均值为 6.82。C0C空=2.37C标 - C空标 - 16.82 - 4.422.014 - 1Cd=C空-=4.42-2.37=2.05C标 - C空标 - 1编号012345Cx16.836.917.057.267.698.00Cx26.826.907.047.247.668.04Cx36.806.907.077.267.678.05Cx6.826.907.057.257.678.03C样4.774.855.005.205.625.98122.012.052.112.192.372.52绘制 12-W 图如下则 s=5.073.3

11、 偶极矩偶极矩=27KT4NA M2d1(1 + 2)2 (s - n)静电单位.厘米=1.98*10-18 静27 * 1.38 * 10 - 16 * 298.554 * 6.02 * 102346.070.7793(1.4232 + 2)2 (5.07 + 0.222)电单位.厘米=1.98D 3.4 讨论讨论 实验值与理论值的偏差来自于仪器测量的不精确，以及实验数据处理的粗略。折光率 的测量不是在恒定温度下，因此有微弱的波动。此外，数字电容测试仪测量误差极大，很 不稳定，很大程度的导致了最终结果的误差。实验数据处理时，无法得到 25.4 摄氏度准确 的环己烷和乙醇密度，因而近似处理。且在计算过程中真空电容近似以空气电容代替。计 算方面的近似处理也导致了最终的实验误差。 此外，实验所用乙醇的纯度不高，也是导致结果不准的重要原因。