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1、稀溶液法测定偶极矩【实验目的】空握落液注测定似极近的耍实验技术(2) 了用侶极诟与分子乜件加的获系.(3) 测定正丁醇的偶极矩。【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。b -图1电偶极矩示意图图2极性分:在电场作用下的工向1912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-
2、10m，电荷的数量级为10-20C，所 以偶极矩的数量级是10-30C m。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，可以用来鉴别儿何莽构体和分子的立体结构等C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卩来衡量。P卩与永久偶极矩的卩的平方成正比，与绝对温度 T成反比。P.4 nNA a9kT式中：k为玻兹曼常数，N A .対冏伏丿川徳罗當參G在外电场作用下，不论极性分
3、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 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101Hz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Pa的贡献呢？介电常数实际上是在107Hz以下的频 率测定的，测得的极化度为 Pa+ Pe +Pa。若把频率提高到红外范围(约10“ 10也Hz)，分子
4、 已经来不及转向，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 Pa，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：Pa =P -( Pe + Pa)- P(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一1+2xMp式中，M为被测物质的摩尔质量；p为该物质的密度; 但式是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。P与介电常数&之间的关系式。&是介电常数。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。因此后来就提出了用一种溶液来解决这一困 难。溶液法的基
5、本想法是，在无限稀释的非极性溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近， 于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度就可以看作是式中的P。溶剂和溶质的摩尔极化度等物在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象,理量可以被认为是具有可加性。因此，式可以写成：1 2 1M1X1M 2x2p ,2*X1p * X2P2勺,2十2P1 , 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表示溶质的摩尔分 数；R表示溶剂的摩尔极化度；P2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0PP1,2_ X1PP1,2 - Xi PiIp?:X2X2Hedestra
6、 nd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ax2bx2因此P；二 lim F2 = lim2 X_0X2=0-可 +ax2 _1 疋 M1X1 +M2X2 x s, -1 迸 M 1 &1 + ax? + 2p + bx2s + 2 pp bX2X23a s M11 1 M 2 bM=x+xs 2P1 2p做Sl，2-X2图，根据式由直线测得斜率a,截距日；作P,2 -X2图，并根据式 由直线测qQ得斜率b，截距p，代入式得P2(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，即式中，n为物质的折射率；M为物质的摩尔质量；p为密度。同样在稀溶液中
7、：n1,2=n1+cx2则一 2 28m -1 M2bM16m M 1cPe = R厂 lim &122111 -Pe R2勺/ n*p阳乜：2 p根据测量的溶液折射率ni,2作图ni.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Co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Co的比值& 称为该电解质的介电常数：C沪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
8、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=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 + CxC标=C 标 + Cx&标又因为Co可得Co =C标一C空ss 1计算出CxCo之后，根据式和式？可得样品的介电常数:&溶C溶 CxC
9、0(5) 偶极矩的计算通过上述步骤分别计算出qQqQP2、R2之后，根据式可得:9k P2： - R2= TV 4 nN=0.1 28 可-R2： T【仪器与试剂】(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【实验步骤】(1)溶液配制(ME204E)(仪器编号14UC1071)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1.0mL、2.0mL、3.0mL 和4.0mL的乙酸乙酯再称重。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
10、此，溶液配好以后应迅速盖上瓶塞。表1:溶液配制乙酸乙酯C4H9OH,分子量：88环己烷C6H12,分子量：841.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶（g）21.315519.839819.497221.4736空瓶+乙酸乙酯（g）22.229921.622322.181325.0385空瓶+乙酸乙酯+环己烷（g）40.620639.230139.034141.0795溶液中乙酸乙酯质量（g）0.91441.78252.68413.5649溶液中乙酸乙酯尔数（mol）0.01040.02030.03050.0405溶液中环己烷质量（g）18.390717.607816.852816.041
11、0溶液中环己烷摩尔数（mol）0.21890.20960.20060.1910乙酸乙酯摩尔分数x20.04530.08810.13200.1750溶液质量（g）19.305119.390319.536919.6059溶液密度（g/ml）0.77220.77560.78150.7842密度 p (g/ml)X20.5ml0.77220.04531.0ml0.77560.08811.5ml0.78150.13202.0ml0.78420.1750y = 0.0970x + 0.7677 R2 = 0.9826*系列1线性（系列1）密度-摩尔分数曲线摩尔分数0.78600.78400.7820 度
12、0.7800 度 0.7780 3 0.77600.77400.77200.7700（2）折射率的测定（仪器编号14UC1087）先用阿贝折射仪测定水的折射率进行校准， 再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。表2:折光率测定实验数据环己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlni1.42251.41991.41781.41391.4110nii1.42261.42001.41721.41451.4112n平均1.42261.42001.41751.41421.4111由于实验时实验室温度约为28C, 28C下纯水的折射率为1.3322,而此时
13、用阿贝折射仪 测得水的折射率为1.3331。故校准后得到的样品折射率为n 1,2X2环己烷1.42350.00000.5ml1.42090.04531.0ml1.41840.08811.5ml1.41510.13202.0ml1.41200.1750(3) 介电常数的测定(14UC1047)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，C。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，用吹风机
14、吹干样品池后才能继续性测量。 注意：用吹风机吹干样品池 的时候不要用热风，以防止样品池温度发生改变带来的测量误差。表2 :电容测定实验数据空气电容（PF）4.2温度C）28.7环己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlCi (PF)6.707.107.307.708.10C2 (PF)6.707.207.407.708.10C平均(PF)6.707.157.357.708.10环己烷介电常数：环二 2.023- 0.0016(t - 20) = 2.00908C标-c空;标一1Cx=1.72C0Co=2.48根据；溶C溶-Cx求得各溶液的介电常数 C。介电常数X20.5ml2.1910.04531.0ml2.2710.08811.5ml2.4130.13202
