偶極矩的測定

1、偶極矩的測定XXX中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，合肥聯(lián)系人Email:XXX摘要:本實驗通過溶液法測定正丁醇偶極矩。通過測定不同濃度正丁醇的環(huán)己烷稀溶液的折射率、密度、介電常數(shù)，利用外推法得到一系列數(shù)據(jù)，從而計算得到正丁醇分子的偶極矩。關(guān)鍵詞：偶極矩溶液法外推法正丁醇極性分子ABSTRACT:Inthisexperiment,wedeterminedthedipolemomentofButanolbyusingsolutionmethod.Wemeasuredthedensity,dielectricconstantandrefractiveindexofButanolcyclohexan

2、esolution.ThenweusedextrapolationtodeterminetherelativevaluewhichhelpcalculatethedipolemomentofButanol.Keyword:DipolemomentButanolSolutionmethodextrapolationPolarmolecule前言偶極矩是分子結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，在無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)中都有涉及。它對判斷分子的空間結(jié)構(gòu)，了解分子中的電荷分布、極性、對稱性有重要作用。分子索物可以被看成是由電子和分子骨架所構(gòu)成。由于其空間構(gòu)型不同其正負(fù)電荷中心可以重合，也可以不重合，前者稱

3、為非極性分子，后者稱為極性分子，分子的極性可用偶極矩后q才來春。崇中r是兩個電荷中心間距矢量，方向是從正電荷指向負(fù)電荷。q為電荷量，一個電子的電荷為4.8X10,0CGSE而分子中原子核間距為1?=104cm的量級，所以偶極矩的量級為：科=4.8X10,0x10-8=4.8X10,8CGSE<cm=4.8Debye,即1Debye=108CGSE<cm。電介質(zhì)分子處于電場中，電場會使非極性分子的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而變得不重合，電場也會使極性分子的正負(fù)電荷中心間距增大這樣會使分子產(chǎn)生附加的偶極矩（誘導(dǎo)偶極矩）。這種現(xiàn)象稱為分子的變形極化。如將電介質(zhì)置于交變電場中，則其極化和電場

4、變化的頻率有關(guān)。交變電場的頻率小于1010秒時，極性分子的摩爾極化度P中包含了電子原子和取向的貢獻(xiàn)。當(dāng)頻率增加到1012-1014秒時，電場的交變周期小于分子偶極矩的松弛時間，極性分子的取向運動跟不上電場的變化，這時極性分子來不及沿電場取向，故Po=0。當(dāng)交變電場的頻率進(jìn)一步增加到大于1015秒高頻場時，分子的取向和分子骨架的變形都跟不上電場的變化，這時的摩爾極化度稱為摩爾折射度Ro這樣我們用交變頻率為1000Hz的交流電橋測出電容池中各濃度下溶液的電容，用此電容除以真空下電容池的電容即得介電常數(shù)。用阿貝折射儀測出可見光下各溶液的折射率，再用分析天平測出各溶液的密度，可定出“、3、丫，而后算出

5、P"和R,進(jìn)而算出分子的永久偶極矩停1實驗部分（i）試劑.正丁醇（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）環(huán)已烷（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）（ii）儀器.2WAJ型阿貝折射儀（上海申光儀器儀表有限公司）PCM-1A型精密電容測量儀（南京南大萬和科技有限公司）CP323S型分析天平HK-2A型超級恒溫水浴（南京南大萬和科技有限公司）容量并2（25毫升）6只密度儀電吹風(fēng)一只電容池一只（iii）實驗方法.1 .溶液配制用稱量法配制0%、1%、5%、10%和15%（摩爾分?jǐn)?shù)）的環(huán)已烷溶液各20毫升（除0%外，其余溶液的濃度只要求精確標(biāo)出濃度值，其值控制在1%、5%、10%、15%左右）。操

6、作時應(yīng)注意防止溶質(zhì)、溶劑的揮發(fā)以及吸收水汽。為此溶液配好后應(yīng)迅速蓋上瓶蓋并置于干燥器中。2 .折射率的測定用阿貝折射儀測出溶液的折射率。測定時各樣品需加樣三次，每次取三個數(shù)據(jù)，最后取平均值。3 .介質(zhì)常數(shù)的測定電容池分布電容Cd和真空電容Co的測定因為電容池總是存在著和真空電容Co并聯(lián)的分布電容Cd,為了從實測溶液的電容中扣除此分布電容的影響，我們必須測出此分布電容。用電吹風(fēng)將電容池二極間的空隙吹干，旋上金屬蓋，將恒溫槽電源打開，使溫度固定在某一實驗工作溫度，測定其電容Co。測量中要反復(fù)交替調(diào)節(jié)相位平衡旋鈕，使表頭指針趨于最小，電橋平衡后，讀出電容值，重復(fù)調(diào)節(jié)三次，以三次讀數(shù)的平均值。再用針筒

7、吸取純環(huán)已烷加入電容池，使液面超過二電極表面。恒溫數(shù)分鐘后如上述步驟測定電容值。然后打開金屬蓋，用針筒吸取二極間的環(huán)已烷，重新裝入樣品，再次測定電容值，取二次平均值為C環(huán)。（2）加溶液電容的測定測定方法同于純環(huán)已烷。重復(fù)測定時，要去掉電極間的溶液，還要用電吹風(fēng)將二極間的空隙吹干，然后再加入該濃度溶液，恒溫數(shù)分鐘，測出電容值。兩次測定數(shù)的差值應(yīng)小于0.05PF,否則要重新測量。測得的電容減去Cd后才是該溶液對應(yīng)的電容值。4 .溶液密度的測定用密度儀直接測量五組樣品的的密度，測量順序正丁醇濃度從低到高。每測完一組，讀取數(shù)據(jù)。用蠕動泵抽空管中樣品，再吸入新樣品，進(jìn)行測量。每組樣品只測一次。2結(jié)果與分

8、析2.1 實驗結(jié)果實驗測得的正丁醇偶極矩大小為1.54Debye,參考值為1.66Debye,相對誤差為7.23%。2.2 誤差分析實驗結(jié)果出現(xiàn)誤差的主要原因可能有：1 .介電常數(shù)的測定：測定介電常數(shù)的儀器穩(wěn)定性較差，測量時經(jīng)常出現(xiàn)輕微觸動導(dǎo)線，數(shù)據(jù)大幅跳動的情況。并在我的最后一組數(shù)據(jù)的測量過程中，呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的趨勢，測了6、7組才在誤差范圍內(nèi)。一開始以為是溶液揮發(fā)了，最后擬合直線后發(fā)現(xiàn)密度和介電常數(shù)的結(jié)果都比較好，懷疑是儀器本身的問題。2 .溶質(zhì)的揮發(fā)：由于正丁醇和環(huán)己烷都極易揮發(fā)，而在實驗中很難避免不與空氣接觸，所以就會導(dǎo)致濃度的改變。3 .折光率的測定：折光率與摩爾分?jǐn)?shù)線性擬合較好，但

9、是由于樣品極易揮發(fā)，測量時就會出現(xiàn)剛滴加完，大部分樣品就會揮發(fā)掉的情況?？赡軙y定產(chǎn)生影響。4 .密度的測定：密度與摩爾分?jǐn)?shù)的擬合，前兩組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一致的情況，造成誤差，后幾組數(shù)據(jù)擬合程度好，疑似揮發(fā)造成誤差。5 .體系的控制溫度與實際溫度存在差異造成誤差。2.3實驗小結(jié)本實驗的所有數(shù)據(jù)質(zhì)量，密度，電容，折光率測定都由機器完成，人為誤差對結(jié)果的影響比較小，7.23%的誤差個人認(rèn)為在于揮發(fā)誤差和儀器誤差比如介電常數(shù)的測定儀器PCM-1A型精密電容測量儀，跳數(shù)現(xiàn)象嚴(yán)重，示數(shù)不穩(wěn)定，我的主要誤差項應(yīng)該就在于此。關(guān)于如何減少揮發(fā)誤差，只能通過加快實驗操作的速度，并且做完實驗立即關(guān)上塞子；關(guān)于儀器誤差，

10、也只能等儀器穩(wěn)定下來在進(jìn)行測定。此外，本實驗不僅教會了我們?nèi)芤悍y定偶極矩的方法，并且教會了我們很多重要儀器的使用方法。3思考1 .測量中為什么溶液的濃度不能太高(如20%)?答：平行板電容器內(nèi)的分子受到四種力的作用，當(dāng)溶液濃度較低時可以忽略。但是當(dāng)濃度增大時，這些力的作用不能忽略。參考資料1 R.J.W.,Lefevre.andH.Vine,J.Chem.Sce.,1805,(1977)2 AlexBomilla,J.Chem.Educ.,2,130,(1977)3孫承謂，化學(xué)通報，5,(1957)4 LeFevre,“DipoleMoments”,(1954)5 J.W.Wilson,Ex

11、perimentsinPhysicalChemistry,(1962)附數(shù)據(jù)處理部分1溶液的配制與密度測定0.771hierceptinteroettSlopeSlopeStatisticsValueSlandarValueStandaiAdjRS0.76891261391.351461.-1661E0.954531b錐形瓶編號12345環(huán)己烷質(zhì)量/g-15.20415.19515.63715.69止醇質(zhì)量/g-0.430.8211.5572.399摩爾分?jǐn)?shù)02.8285.4039.95715.290溶液密度/gcm-30.76910.76910.76950.77030.7710X2p溶X2關(guān)

12、系圖由上圖得斜率=0.01351p環(huán)=0.76893=斜率/p環(huán)=0.01351/0.7689=0.017572折光率的測定測得純水的折光率為：1.3321。查表的水26.6C下的折光率為1.3324,因此校準(zhǔn)因子為1.3321-1.3324=-0.0003數(shù)據(jù)如下測定次數(shù)溶液摩爾分?jǐn)?shù)/%(ml)0(0)2.8285.4039.95715.29011.42111.41991.41911.41741.416221.42111.41981.41921.41721.416331.42111.41981.41911.41731.4163平均值1.42111.41981.41911.41731.4163

13、校正后的值1.42141.42011.41941.41761.4166ntenzeplInierctipiSupeSlopelaueStandardValueSlancanAd|R-yquB142113236130E-4).031510.002740.97aJ81.42C京I:斗1.418L4伯_CTUOTIEmtTTSX2n溶一X2關(guān)系圖由上圖得：n環(huán)=1.42113丫=斜率/n環(huán)=-0.03154/1.423113=-0.022193介電常數(shù)測定C/pF空氣溶液摩爾分?jǐn)?shù)/%(ml)0(0)2.8285.4039.95715.290A次3.915.675.85.8866.21第二次3.915

14、.75.775.926.026.23平均值3.915.6855.7855.96.016.22t=30.00C£環(huán)=C環(huán)/Co=2.023-0.0016(t-20)=2.187C環(huán)=C環(huán)+Cd-Co=Co+Cd代入C環(huán)=6.94pFCo=4.26pF解方程得到Co=1.495pFC環(huán)=3.270pFCd=2.415pF由&溶=(C溶'-Cd)/C0,得下表摩爾分?jǐn)?shù)濃度01.859%4.491%9.015%13.266%C溶5.6855.7855.96.016.22e溶2.1872.2542.3312.4052.545IntercepIntercepSlopeSlopeStatisticValueStandarValueSt»ndarAdjR-SH2.191260.0092b228329099123e溶一X2關(guān)系圖由圖可得斜率=2.2883e環(huán)=2.1913a=斜率/e環(huán)=2.2883/2.1913=1.0443、,oo-oo4計算P和RP-P2-limP2X2小03"2(”2)M1.,-1M2-加1：1-2=3*1.0443*2.1913*84.16/(2.1913+2)A2)*0.7689)+(2.1913-1)*(74.12-0.01757*84.16)/(2.1913+2)*0.7689)=69.63