稀溶液法測(cè)定偶極矩實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

精品文檔 結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：稀溶液法測(cè)定偶極矩報(bào)告作者： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)老師： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016年11月21日 稀溶液法測(cè)定偶極矩1、 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 掌握溶液法測(cè)定偶極矩的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)2. 了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系3. 測(cè)定乙酸乙酯的偶極矩2、 【實(shí)驗(yàn)原理】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，其定義式為 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(gè)矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)。因分子中原子間的距離的數(shù)量級(jí)為10-10m，電荷的數(shù)量級(jí)為10-20C，所以偶極矩的數(shù)量級(jí)是10-30Cm。通過偶極矩的測(cè)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(duì)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(yùn)動(dòng)，偶極矩指向某個(gè)方向的機(jī)會(huì)均等。所以偶極矩的統(tǒng)計(jì)值等于零。若將極性分子置于均勻的電場(chǎng)E中，則偶極矩在電場(chǎng)的作用下，趨向電場(chǎng)方向排列。這時(shí)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(duì)溫度T成反比。 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(chǎng)作用下，不論極性分子或非極性分子，都會(huì)發(fā)生電子云對(duì)分子骨架的相對(duì)移動(dòng)，分子骨架也會(huì)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(xiàng)，即電子極化度Pe和原子極化度Pa，因此 P誘導(dǎo) = Pe + Pa 如果外電場(chǎng)是交變場(chǎng)，極性分子的極化情況則與交變場(chǎng)的頻率有關(guān)。當(dāng)處于頻率小于1010HZ的低頻電場(chǎng)或靜電場(chǎng)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 如何從測(cè)得的摩爾極化度P中分別出P的貢獻(xiàn)呢？介電常數(shù)實(shí)際上是在107HZ一下的頻率測(cè)定的，測(cè)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(shí)測(cè)得的極化度只有Pe和Pa的貢獻(xiàn)了。所以從按介電常數(shù)計(jì)算的P中減去紅外線頻率范圍測(cè)得的極化，就等于P，在實(shí)驗(yàn)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 2. 摩爾極化度的計(jì)算摩爾極化度P與介電常數(shù) 之間的關(guān)系式為 式中，M為被測(cè)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(duì)某種物質(zhì)甚至根本無法獲得氣相狀態(tài)。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(shí)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，式可以寫成： 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(duì)于稀溶液，可以假設(shè)溶液中溶劑的性質(zhì)與純?nèi)軇┫嗤?，則 Hedestrand 首先推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)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 因此 做1，2-x2圖，根據(jù)式由直線測(cè)得斜率a，截距1；作1,2 -x2圖，并根據(jù)式 由直線測(cè)得斜率b，截距1，代入式得3. 由折光度計(jì)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 根據(jù)測(cè)量的溶液折射率n1,2作圖n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式計(jì)算出Pe 。4. 介電常數(shù)的測(cè)定介電常數(shù)是通過測(cè)定電容計(jì)算而得的。如果在電容器的兩個(gè)板間充以某種電解質(zhì)，電容器的電容量就會(huì)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(shì)差就會(huì)減少。設(shè)C0為極板間處于真空時(shí)的電容量，C為充以電解質(zhì)時(shí)的電容量，則C與C0的比值稱為該電解質(zhì)的介電常數(shù)： = 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(chǎng)中極化而引起的。極化作用形成一個(gè)反向電場(chǎng)，因而抵消了一部分外加電場(chǎng)。測(cè)定電容的方法一般有電橋法、拍頻法和諧振法，后兩者為測(cè)定介電常數(shù)所常用，抗干擾性能好，精度高，但儀器價(jià)格昂貴。本實(shí)驗(yàn)中采用電橋法。實(shí)際所測(cè)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 對(duì)于給定的電容池，必須先測(cè)出其分布電容 Cx。可以先測(cè)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(cè)得其電容C標(biāo) 。 C空 = C空 + Cx C標(biāo) = C標(biāo) + Cx 又因?yàn)?標(biāo) = 可得 Cx = C空 C0 = 計(jì)算出 Cx 、C0 之后，根據(jù)式和式可得樣品的介電常數(shù)： 溶 = 5. 偶極矩的計(jì)算 通過上述步驟分別計(jì)算出 、之后，根據(jù)式可得： 3、 【儀器與試劑】1.儀器電容測(cè)量?jī)x、25mL容量瓶，移液管、電子天平、阿貝折射儀、滴管、燒杯、洗耳球、干燥器等。2.試劑乙酸乙酯 分析純環(huán)己烷 分析純丙酮 分析純四、【實(shí)驗(yàn)步驟】1. 溶液配制將四個(gè)干燥的容量瓶編號(hào)，稱量并記錄空瓶重量。在空瓶?jī)?nèi)分別加入1.0mL、2.0mL、3.0m、4.0mL的乙酸乙酯再稱重。然后加環(huán)己烷至刻度線，稱重。操作時(shí)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。2. 折射率的測(cè)定用阿貝折射儀測(cè)定環(huán)己烷及配制溶液的折射率，注意測(cè)定時(shí)各樣品需加樣兩次，讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)取平均值。3. 介電常數(shù)的測(cè)定本實(shí)驗(yàn)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)式中，t為溫度，。打開電容測(cè)量?jī)x，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄空氣的電容值。分別測(cè)量純環(huán)己烷和配制的4個(gè)樣品溶液的電容，記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)。每個(gè)樣品測(cè)量?jī)纱?，?jì)算時(shí)取平均值。測(cè)量一個(gè)樣品后，需用濾紙把殘留樣品吸干，才能繼續(xù)性測(cè)量。 五、【數(shù)據(jù)處理】1.數(shù)據(jù)記錄表乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88環(huán)己烷C6H12,分子量:84表一：溶液配制1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶(g)24.4578 24.6042 24.6490 30.5122 空瓶+乙酸乙酯(g)25.3538 26.3824 27.3317 34.0684 空瓶+乙酸乙酯+環(huán)己烷(g)43.7927 44.0754 44.2247 50.2351 溶液中乙酸乙酯質(zhì)量(g)0.8960 1.7782 2.6827 3.5562 溶液中乙酸乙酯爾數(shù)(mol)0.0102 0.0202 0.0305 0.0404 溶液中環(huán)己烷質(zhì)量(g)18.4389 17.6930 16.8930 16.1667 溶液中環(huán)己烷摩爾數(shù)(mol)0.2195 0.2106 0.2011 0.1925 乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x20.0443 0.0875 0.1316 0.1735 溶液質(zhì)量(g)19.3349 19.4712 19.5757 19.7229 溶液密度(g/ml)0.7734 0.7788 0.7830 0.7889 表二：折射率測(cè)定在28時(shí)，純水的理論折射率為1.3322，實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為28.0。測(cè)得水的折射率為1.3335，即實(shí)際測(cè)得值比理論值偏高0.0013。以下測(cè)量數(shù)據(jù)已校正：環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlnI1.4216 1.4194 1.4162 1.4136 1.4117 nII1.4218 1.4196 1.4164 1.4134 1.4115 n平均1.4217 1.4195 1.4163 1.4135 1.4116 表三：電容測(cè)定空氣電容(PF)：4.4 溫度（）：27.2環(huán)己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlC1 (PF)6.60 6.95 7.20 7.50 7.75 C2 (PF)6.60 6.90 7.20 7.40 7.75 C平均(PF)6.60 6.93 7.20 7.45 7.75 2.數(shù)據(jù)處理 2.1溶液摩爾分?jǐn)?shù)x的計(jì)算1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml乙酸乙酯摩爾分?jǐn)?shù)x20.0443 0.0875 0.1316 0.1735 2.2繪制折射率n1,2和溶液摩爾分?jǐn)?shù)x2的工作曲線，并求出斜率c。n1,2x2環(huán)己烷1.4217 0.0000 0.5ml1.4195 0.0443 1.0ml1.4163 0.0875 1.5ml1.4135 0.1316 2.0ml1.4116 0.1735 斜率：-0.0603；截距：1.4218 ；相關(guān)系數(shù)：0.9942 2.3計(jì)算環(huán)己烷的介電常數(shù)，求出電容池的分布電容Cx。環(huán)己烷介電常數(shù)： 2.01148電容池的分布電容 =2.22計(jì)算溶液的介電常數(shù)。真空電容量 =2.18樣品的介電常數(shù)求得各溶液的介電常數(shù)介電常數(shù)x20.5ml2.161 0.0443 1.0ml2.287 0.0875 1.5ml2.402 0.1316 2.0ml2.540 0.1735 2.4繪制-x2 工作曲線，由直線測(cè)得斜率a，截距1。根據(jù)最小二乘法求得斜率：2.9008；截距：2.0307；相關(guān)系數(shù)：0.9981 2.5繪制作1,2 -x2 工作曲線，由直線測(cè)得斜率b，截距1 。密度(g/ml)x20.5ml0.7734 0.0443 1.0ml0.7788 0.0875 1.5ml0.7830 0.1316 2.0ml0.7889 0.1735 斜率b=0.1175；截距1=0.7682；相關(guān)系數(shù)為0.9950 2.6計(jì)算，計(jì)算Pe 。a斜率2.9008 b斜率0.1175 1環(huán)己烷介電常數(shù)2.0307 M1環(huán)己烷分子量84 1環(huán)己烷密度0.7682 M2乙酸乙酯分子量88 =144.9463c斜率-0.0603 b斜率0.1175 n1環(huán)己烷折光率1.4217 n122.0212 M1環(huán)己烷分子量84 1環(huán)己烷密度0.7682 M2乙酸乙酯分子量88 =20.8821 2.7計(jì)算偶極矩。 =2.4702 德拜六、【結(jié)果與討論】1.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的以環(huán)己烷為溶劑時(shí)乙酸乙酯的偶極矩為2.4702德拜，溫度為27.2，查找文獻(xiàn)得，乙酸乙酯在25中的偶極矩為1.78德拜。2.實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的三條工作曲線n1,2-x2, -x2, 1,2 -x2的相關(guān)系數(shù)分別為0.9942，0.9981，0.9950，數(shù)據(jù)的線性較好。3.環(huán)己烷、乙酸乙酯易揮發(fā)，配制溶液時(shí)動(dòng)作應(yīng)迅速，以免影響濃度。 4.本實(shí)驗(yàn)溶液中防止含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液應(yīng)透明不發(fā)生渾濁七、【思考題】1.實(shí)驗(yàn)誤差主要來源本實(shí)驗(yàn)所用試劑均易揮發(fā). 操作時(shí)容易因此而導(dǎo)致測(cè)量過程中溶液濃度的改變。如由于加樣動(dòng)作不夠迅速,瓶塞塞不緊等都易造成較大的誤差。實(shí)驗(yàn)理論上，各種近似處理使實(shí)驗(yàn)本身就存在誤差。例如由于非極性溶劑與極性溶質(zhì)分子間的相互作用即“溶