「稀溶液法測定偶極矩實驗報告(華南師范大學(xué)物化實驗)」.doc

稀溶液法測定偶極矩一、實驗?zāi)康模?）掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術(shù)（2）了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系（3）測定正丁醇的偶極矩二、實驗原理2.1偶極矩與極化度分子結(jié)構(gòu)可以近似地看成是由電子云和分子骨架（原子核及內(nèi)層電子）所構(gòu)成。由于空間構(gòu)型的不同，其正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子。1912年，德拜提出“偶極矩”的概念來度量分子極性的大小，其定義是 （1）式中，q是正負(fù)電荷中心所帶的電量；d為正負(fù)電荷中心之間的距離；是一個矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)，的數(shù)量級是10-30Cm。通過偶極矩的測定，可以了解分子結(jié)構(gòu)中有關(guān)電子云的分布和分子的對稱性，可以用來鑒別幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)等。極性分子具有永久偶極矩，但由于分子的熱運動，偶極矩指向某個方向的機會均等。所以偶極矩的統(tǒng)計值等于零。若將極性分子置于均勻的電場E中，則偶極矩在電場的作用下，趨向電場方向排列。這時稱這些分子被極化了。極化的程度可以用摩爾轉(zhuǎn)向極化度P來衡量。P與永久偶極矩的平方成正比，與絕對溫度T成反比。 （2）式中，k為波茲曼常數(shù)；NA為阿弗加德羅常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；為分子的永久偶極矩。在外電場作用下，不論極性分子或非極性分子，都會發(fā)生電子云對分子骨架的相對移動，分子骨架也會發(fā)生形變。這稱為誘導(dǎo)極化或變形極化。用摩爾誘導(dǎo)極化度P誘導(dǎo)來衡量。顯然，P誘導(dǎo)可分為兩項，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此 P誘導(dǎo) = Pe + Pa （3）如果外電場是交變場，極性分子的極化情況則與交變場的頻率有關(guān)。當(dāng)處于頻率小于1010HZ的低頻電場或靜電場中，極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度P是轉(zhuǎn)向極化、電子極化和原子極化的總和。 P = P+ Pe +Pa （4）介電常數(shù)實際上是在107HZ一下的頻率測定的，測得的極化度為 P+ Pe +Pa。若把頻率提高到紅外范圍，分子已經(jīng)來不及轉(zhuǎn)向，此時測得的極化度只有Pe和Pa的貢獻了。所以從按介電常數(shù)計算的P中減去紅外線頻率范圍測得的極化，就等于P，在實驗上，若把頻率提高到可見光范圍，則原子極化也可以忽略，則在可見光范圍： P =P -( Pe +Pa) P - Pe （5） 2.2 摩爾極化度的計算摩爾極化度P與介電常數(shù) 之間的關(guān)系式。 （6）式中，M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量； 為該物質(zhì)的密度； 是介電常數(shù)。但式（6）是假定分子與分子間沒有相互作用而推導(dǎo)得到的。所以它只適用于溫度不大低的氣相體系，對某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。因此后來就提出了用一種溶液來解決這一困難。溶液法的基本想法是，在無限稀釋的非極性溶劑中，溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)和氣相時相近，于是無限稀釋溶液中的溶質(zhì)的摩爾極化度可以看作是式（6）中的P。在稀溶液中，若不考慮極性分子間相互作用和溶劑化現(xiàn)象，溶劑和溶質(zhì)的摩爾極化度等物理量可以被認(rèn)為是具有可加性。因此，式（6）可以寫成： （7）式中，下標(biāo)1表示溶劑；下標(biāo)2表示溶質(zhì)；x1表示溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)；x2表示溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；表示溶劑的摩爾極化度；表示溶質(zhì)的摩爾極化度。對于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤瑒t （8） （9）Hedestrand 首先推導(dǎo)出經(jīng)驗公式，指出在稀溶液中溶液的介電常數(shù)和密度可以表示為 （10） （11）因此 （12）做1，2-x2圖，根據(jù)式（7）由直線測得斜率a，截距1；作1,2 -x2圖，并根據(jù)式 （11）由直線測得斜率b，截距1，代入式（12）得2.3由折光度計算電子極化度Pe電子極化度可以使用摩爾折光度R代替，即 （13）根據(jù)測量的溶液折射率n1,2作圖n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式（13）計算出Pe 。2.4介電常數(shù)的測定介電常數(shù)是通過測定電容計算而得的。如果在電容器的兩個板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會增大。如果維持極板上的電荷量不變，那么充電解質(zhì)的電容器兩板間電勢差就會減少。設(shè)C0為極板間處于真空時的電容量，C為充以電解質(zhì)時的電容量，則C與C0的比值稱為該電解質(zhì)的介電常數(shù)： = （14）法拉第在1837年就解釋了這一現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于電解質(zhì)在電場中極化而引起的。極化作用形成一個反向電場，因而抵消了一部分外加電場。測定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價格昂貴。本實驗中采用電橋法。實際所測得的電容C樣品包括了樣品的電容C樣品和電容池的分布電容Cx兩部分，即 C樣品 = C樣品 + Cx （15）對于給定的電容池，必須先測出其分布電容 Cx?？梢韵葴y出以空氣為介質(zhì)的電容，記為C空 ，再用一種已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測得其電容C標(biāo) 。 C空 = C空 + Cx C標(biāo) = C標(biāo) + Cx 又因為 標(biāo) = 可得 Cx = C空 （16） C0 = （17）計算出 Cx 、C0 之后，根據(jù)式（6）和式（15）可得樣品的介電常數(shù)： 溶 = （18）2.5偶極矩的計算 通過上述步驟分別計算出 、之后，根據(jù)式（2）可得： （19）三、儀器與試劑3.1儀器電容測量儀器、25mL容量瓶、移液管、電子天平、阿貝折射計、滴管、燒杯、洗耳球、干燥器等3.2試劑正丁醇（分析純），環(huán)己烷（分析純），丙酮（分析純）四、實驗步驟4.1室溫的測定25.64.2 溶液配制將4個干燥的容量瓶編號，稱量并記錄空瓶重量。在空瓶內(nèi)分別加入0.5mL、1.0mL、1.5mL和2.0mL的正丁醇再稱重。然后加環(huán)己烷至刻度線，稱重。操作時應(yīng)注意防止溶質(zhì)、溶劑的揮發(fā)以及吸收極性較大的水汽。為此，溶液配好以后應(yīng)迅速蓋上瓶塞，并置于干燥器中。實驗數(shù)據(jù)見表1.4.3折射率的測定用阿貝折射儀測定環(huán)己烷及配制溶液的折射率，注意測定時各樣品需加樣兩次，讀取數(shù)據(jù)，計算時取平均值。實驗數(shù)據(jù)見表2.4.4介電常數(shù)的測定本實驗采用環(huán)己烷作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其介電常數(shù)的溫度公式為：環(huán) = 2.023-0.0016(t-20) （20）式中，t為溫度，。打開電容測量儀，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄空氣的電容值。分別測量純環(huán)己烷和配制的4個樣品溶液的電容，記錄測量的數(shù)據(jù)。每個樣品測量兩次，計算時取平均值。測量一個樣品后，需用濾紙把殘留樣品吸干，用吹風(fēng)機吹干樣品池后才能繼續(xù)測量。注意，用吹風(fēng)機吹樣品池的時候不能用熱風(fēng)，以防樣品池溫度放生改變帶來誤差。實驗數(shù)據(jù)見表4.五、數(shù)據(jù)記錄與處理5.1溶液配制數(shù)據(jù)及計算摩爾分?jǐn)?shù)x2表1.溶液配制數(shù)據(jù)記錄項目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+環(huán)己烷(g)45.705746.202448.250346.1058溶液中乙酸乙酯質(zhì)量(g)0.44780.89731.35141.8037溶液中乙酸乙酯爾數(shù)(mol)0.00510.01020.01540.0205溶液中環(huán)己烷質(zhì)量(g)18.786018.429618.014317.6352溶液中環(huán)己烷摩爾數(shù)(mol)0.22360.21940.21450.2099乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x20.02220.04440.06680.0889溶液質(zhì)量(g)19.233819.326919.365719.4389溶液密度(g/mL)0.76940.77310.77460.77765.2折射率的測定數(shù)據(jù)記錄表2.折射率的測定數(shù)據(jù)記錄項目環(huán)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繪制折射率n1,2和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線表3. n1,2-x2數(shù)據(jù)記錄表樣品加入量n1,2x2環(huán)己烷1.42300.00000.5mL1.42210.02221.0mL1.42030.04441.5mL1.41890.0668由工作曲線可知，斜率c為-0.0672。5.4電容的測定數(shù)據(jù)記錄以及相關(guān)常數(shù)值、電容值的計算表4.電容的測定實驗數(shù)據(jù)測得空氣電容C空：-0.11PF 溫度t：25.6項目環(huán)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根據(jù)環(huán)己烷的介電常數(shù)溫度公式（20），求得環(huán)己烷的介電常數(shù)為標(biāo) = 2.023-0.0016(t-20)= 2.01404本實驗采用環(huán)己烷作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其電容值為C標(biāo)=2.38PF由式（16）求得電容池的分布電容Cx = C空 =-2.57PF由式（17）求得極板處于真空時的電容C0 = =2.46PF根據(jù)式（18）溶 = ，求得各濃度乙酸乙酯樣品的介電常數(shù)表5.各摩爾分?jǐn)?shù)乙酸乙酯樣品液的介電常數(shù)樣品加入量摩爾分?jǐn)?shù)x2介電常數(shù)0.5mL0.02222.1001.0ml0.04442.1651.5ml0.06682.2342.0ml0.08892.303根據(jù)表5，繪出介電常數(shù)工作曲線與摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線。由工作曲線可得，斜率a=3.0565，截距1=2.0304.5.5繪制溶液密度1,2與摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線表6. 溶液密度1,2與摩爾分?jǐn)?shù)x2的數(shù)據(jù)記錄表樣品加入量密度(g/mL)x20.5ml0.76940.02221.0ml0.77310.04441.5ml0.77460.06682.0ml0.77760.0889根據(jù)工作曲線，可得直線斜率b=0.1176，截距1=0.7671.5.6摩爾極化度的計算根據(jù)式（12），得乙酸乙酯的摩爾極化度為5.7電子極化度Pe的計算根據(jù)式（13），得電子極化度5.8偶極矩的計算根據(jù)式（19），的乙酸乙酯的偶極矩為六、分析與討論稀溶液法測定乙酸乙酯的偶極矩，涉及的參數(shù)很多，每一個參數(shù)的測定都必然會帶入誤差。若果要保證實驗最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，則每一步都必須按照實驗章程，避免操作失誤，把系統(tǒng)誤差降至最低。實驗的第一步是溶液的配制，與常規(guī)的溶液配制不同，本次實驗中，溶液的配制與溶液的稱重是同時進行的。使用吸量管吸取一定量的乙酸乙酯要保證讀數(shù)準(zhǔn)確，于容量瓶中定容時必須保證刻線與凹液面相切。容量瓶要提前貼好標(biāo)簽，乙酸乙酯是揮發(fā)性的液體，往容量瓶中加液后，要立刻蓋上容量瓶蓋。定容后，無需搖勻，否則后使乙酸乙酯揮發(fā)速度加快。揮發(fā)強度大的時候可觀察到分析天平示數(shù)一直下降，稱量時要關(guān)好分析天平的玻璃門以降低空氣流速。所有儀器都必須干燥，不能接觸水，洗后要烘干后才可以使用，水是極性分子，會影響到乙酸乙酯偶極矩的測定。實驗的第二步是折射率的測定，這一步涉及阿貝折射計的使用。一般來說，往樣品臺滴加23滴溶液，基本上可以滿足測量需要，但是考慮到測量的是揮發(fā)性樣品，將溶液的滴加數(shù)量增加至5滴，滴加后要迅速關(guān)上樣品臺。讀數(shù)時，要注意小數(shù)位的估讀，對于同一樣品前后兩次測量的誤差大于0.0003的情況，就應(yīng)該進行第三次測量。本次折射率的測量，至少要測量15次，加上超過誤差范圍需要重新測量的情況，幾乎要測量25次，到后期會感到明顯的視覺疲勞，在一定程度上影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性，如果時間許可，最好讓眼睛稍作休息后再繼續(xù)試驗。試驗的第三步是介電常數(shù)的測定，這一步要借助于電容測量儀器，測量一個樣品后，需要用濾紙將殘留樣品吸干，等樣品池干燥后在繼續(xù)測量，否則不同的樣品互相影響，導(dǎo)致測量結(jié)果失實。另外要盡量保證溶液的組成不變，取完溶液后要立刻蓋上容量品蓋子，防止乙酸乙酯揮發(fā)。本次實驗的操作過程不長，但數(shù)據(jù)處理方面較為繁瑣復(fù)雜。使用excel軟件處理數(shù)據(jù)，輸入相關(guān)公式可自動生成相應(yīng)的結(jié)果，使用最小二乘法得出工作曲線圖。查閱相關(guān)文獻，關(guān)于本實驗的改進方法包括電容測量儀器的改造，以及數(shù)據(jù)處理方法上應(yīng)用Ma