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1、华南师范大学实验报告课程名称：结构实验实验项目：稀溶液法测定偶极矩实验类型：验证设计综合实验时间： 2009 年 11月 20 日一、实验名称： 稀溶液法测定偶极矩二、实验目的(1) (2) (3) 用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩。(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。由于其空间构型的不同，其正负电荷中心可以是重合的，也可以不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。图 1 电偶极矩示意图图 21912 年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，如图1 所示，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
2、间的距离；是一个向量， 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 10-30Cm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，如图 2 所示趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P 转向来衡量。与永久偶极矩的值成正比，与绝对温度T 成反比KTNP3432转向dq转向P2pbbKTN94(2) 式
3、中：K为玻兹曼常数，N在外电场作用下，不论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 诱导可分为二项，即电子极化度P 电子和原子极化度P 原子，因此P 诱导 =P 电子 +P 原子。 P诱导与外电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1010s-1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。原子电子转向PPPP(3)当频率增加到 10121014的中频 (红外频率 )时， 电子的交变周期小于分子偶极矩的松弛
4、时间，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场方向定向，故=0，此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度。当交变电场的频率进一步增加到1015秒-1的高频(可见光和紫外频率 )时，极向分子的转向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化。此时极性分子的摩尔极化度等于电子极化度因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度，两者相减得到极性分子摩尔转向极化度，然后代入 (2)式就可算出极性分子的永久偶极矩来。(2) 极化度的测定：克劳修斯、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：MP21(4)式中，M为被测物
5、质的分子量；为该物质在TK下的密度； 但(1)式是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不太低的气相体系，对某些物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来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的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度，就可以看作为 (4)式中的P。海台斯纳特首先利用稀释溶液的）（溶211X(5)转向P诱导P电子P诱导P转向P2P）（溶211X(6) 1121111 2 1120221)2(3lim2MMMPPPx(7)上述 (5)、(6)、(7)式中，溶、溶是溶液的介电电常数和密度；M2、
6、 X2是溶质的分子量和摩尔分子数；1、p1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和分子量；、 是分别与直线斜率有关的常数上面已经提到，在红外频率的电场下，可以测得极性分子摩尔诱导极化度。但是在实验上由于条件的限制，很难做到这一点。所以一般总是在高频电场下测定极性分子的电子极化度根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常数与折光率n的关系为：(8)习惯上用摩尔折射度2R来表示高频区测得的极化度，而此时，0转向P，0原子P. 则MnnPR 21222电子(9)1(21Xnn溶同样，从 (9)122 112 112 2 12 1 2 02)2(21lim 2nMbnMMnnRRPX电子
7、(11) 上述(10)、 (11)式中，溶n是溶液的折射率，1n是溶剂的折射率，是与2Xn溶(3) 偶极矩的测定：考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5%15%，而且又比从(2)、(3)、(7)和(11)式可得KTNRP22294(12)22XX溶溶和原子电子诱导PPP电子P2n转向P原子P上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电常数、密度、折射率联系起来，分子的永久偶极矩就可用下面简化式计算：TRP)(0128.022)(100426.02230mCRP(13)在某种情况下，若需要考虑原子P影响时，只需对2R作部分修正就行了。上述测求极性分子偶极矩的方法称为溶液法。溶液法测溶质偶极矩
8、与气相测得的真实值间存在偏差。造成这种现象的原因是由于非极性溶剂与极性溶质分子相互间的作用“溶剂化”作用。这种偏差现象称为溶剂法测量偶极矩的“溶剂效应”此外测定偶极矩的方法还有多种，如温度法、分子束法、 分子光谱法及利用微波谱的斯诺克法(4) 我们知道， 如果在电容器的两个极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二板间电势差就会减少。设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与之比值 称为该电解质的介电常数oCC(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。极化作用形成一反向电场，因
9、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，后二者为测定介电常数所常用，抗干扰性能 好，精度高，但仪器价格较贵。本实验中采用电桥法，选用的仪器为CC6 型小电容测定仪。其xsx CC2为电容池二极之间的电容，为标准的差动电容器，调节，只有当时，。 此时指示放大器的输出趋近于零(用表头指示 )。值可以从度盘上直接读出，由于在电桥法测量电路中被测电容Cx二端都不能接地，因此恒温介质不能用水。本实验中采用介电常数很小的变压器油。变压器油从超级温槽中用循环泵压出，经电容池再回入。温度由超级恒温槽控制在250.1，电容池外壳兼作屏蔽之用，并直接插入仪器插孔上，这样就可以避免人体对
10、测量的影响。但电容池插在小电容测量仪的插孔上呈现的电容Cx可看作电容池两电极间的电容Cc和整个测试系统中的分布电容并联所构成。即Cx=Co+Cd，显然， Cc值随介质而异，而Cd是一个恒定值。 如果直接将Cx值当作 Cc值来计算，就会引进误差。因此，必须先求出Cd值 (又称底值 )并在以后测求 CdoCxCsCsCxsCC12sCxC1 标CdCCC标标1(-29-16)上述(-29-15)、(-29-16)式中、分别为标准物质和空气的电容。近似地可将oCCCC标标标11(-29-17)(-29-18)代入 (-29-16)即能算出Cd。四、注意事项1、本实验测量项目比较多，数据处理也较复杂，
11、所以，一定要做好实验的记录。2. 本实验溶液中防止含有水分, 所配制溶液的器具需干燥, 溶液应透明不发生浑浊. 3. 测定电容时 , 应防止溶液的挥发及吸收空气中极性较大的水汽, 影响测定值 . 4. 电容池个部件的连接应注意绝缘。五、仪器试剂（1）仪器阿贝折光仪1容量瓶 (25mL) 5CC 6 型小电容测定仪1干燥器1 电子天平移液管滴管、洗耳球、烧杯（2）试剂乙酸乙酯 (分析纯 )环己烷 (分析纯 )丙酮 (分析纯 ) 五、(1) 溶液配制： 将 4 个干燥的容量瓶编号，分别称量空瓶重。 在空瓶内分别加入0.5mL 、 1.0mL 、1.5mL 和 2.0mL 的乙酸乙酯再称重。然后加环
12、己烷至刻度，再称重。操作时应注意防止溶质、溶剂(2) 折光率的测定：用阿贝折光仪测定环己烷及各配制溶液的折光率，注意测定时各样品需加样 2 次，计算时取平均值。(3) 电容 C0 和 Cd)20(0016. 0238. 2t环式中的t为恒温温度 (摄氏温标 )。打开电容测试仪，待读书稳定后，记录客气的电容值。分别测量纯环己烷和配制的4 个样品溶液的电容，记录测量数据。每个样品测量2 次，计算时取平均值。六、 数据处理（部分数据记录与处理在末页）oCC空标C空CoCC标1、溶液摩尔分数X2 的计算。2、绘制折光率n1， 2 和溶液摩尔分数X2 的工作曲线，求出直线斜率求：0.000.020.04
13、0.060.080.101.4241.4251.4261.4271.4281.4291.4301.431BLinear Fit of Data1_B2009-12-2 23:16 “/Graph1“ (2455167) Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error - A 1.43093 1.18269E-4 B -0.07357 0.00218 - R SD N P - -0.99868 1.53078E-4 5 0.0001 3、计算环己烷的介电常数，电容池的分布电容Cx，并求出溶液的介电常数：4、作
14、X2图，由直线斜率求得 ，截距作X2图，由直线斜率求得，截距 1110.020.030.040.050.060.070.080.092.042.052.062.072.082.092.102.112.12X 2BLinear Fit of Data1_BY = A + B * X Parameter Value Error - A 2.00123 0.01919 B 1.08704 0.27846 - R SD N P - 0.96872 0.00847 3 0.15965 - 2009-12-2 23:12 “/Graph1“ (2455167) Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error - A 2.02917 0.00572 B 0.99692 0.09431 - R SD N P - 0.99117 0.0047 4 0.00883 0.020.030.040.050.0
