物理化學(xué)-結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 偶極矩

1、13- 結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)偶極矩PB02206003馬瑞偶極矩的測(cè)定馬瑞摘要：分子在電場(chǎng)中可發(fā)生變形極化和取向極化這兩種極化作用，故此電介質(zhì)的介電常數(shù)同時(shí)受到分子固有偶極矩、誘導(dǎo)偶極矩和偶極矩的取向極化三種作用影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定正丁醇的環(huán)己烷溶液之折射率、介電常數(shù)和密度隨濃度的變化，利用外推法確定線性關(guān)系系數(shù)，從而求得正丁醇的固有偶極矩大小。關(guān)鍵詞：正丁醇偶極矩極化電介質(zhì)TheDeterminationofDipoleMomentMaRui(Marine.Marion)(NCLUSTCHefeiAnhuiP.R.China，230026)Email： HYPERLINK mailto:marion

2、USTC.edu marionUSTC.eduAbstract：Amoleculeinelectricfieldisactedonbydistortionpolarizationandorientationpolarization,sothedielectricconstantisbearuponintrinsicdipole,induceddipoleandorientationpolarization.Inthisexperiment,wedeterminetherefractiveindexes,dielectricconstantsanddensityof1-butylalcohol&

3、cyclohexanesolutionunderdifferentconcentrations.Thedataareprocessedtoresolvethelinearrelationconstantbyusingextrapolation,andthenwecangettheintrinsicdipolemomentof1-butylalcohol.Keywords：1-Butylalcohol,Dipolemoment,Polarization,Dielectric偶極矩是一個(gè)向量，方向規(guī)定從負(fù)電荷指向正電荷注意，以前化學(xué)上曾經(jīng)約定為相反的方向，但是現(xiàn)在與物理學(xué)采用了一致的約定“從負(fù)到正

4、”!電偶極矩的SI制單位為Cm,微觀物理學(xué)中常用的單位為“德拜Debye”，1Debye=3.336E-30Cm。4如右圖，假設(shè)一個(gè)中性分子的正負(fù)電荷中心不重合，偶極矩匸二qr則此分子的靜電學(xué)性質(zhì)可以簡(jiǎn)化為圖中所示的電偶極子模型，其中r是由負(fù)電中心到正電中心的向量，q是正或Fig1.分子的偶極矩負(fù)電荷電量的絕對(duì)值。那么偶極矩卩二qr。分子的正負(fù)電荷中心不重合，可以是這一分子在無(wú)外界電場(chǎng)作用下就能表現(xiàn)出的固有屬性此時(shí)它被稱(chēng)為“極性分子”；也可以是正負(fù)電荷中心原本重合的“非極性分子”，在外電場(chǎng)作用下發(fā)生了正負(fù)電荷中心的相互分離。因此偶極矩大小定量的表現(xiàn)出分子當(dāng)前極性程度的大小，本實(shí)驗(yàn)就是要測(cè)定極性

5、分子正丁醇的固有偶極矩大小。理論準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)操作：儀器與試劑電子天平阿貝折光儀精密電容測(cè)量?jī)x，電容池超級(jí)恒溫水浴，電吹風(fēng)容量瓶，膠頭滴管，移液管，洗耳球比重瓶正丁醇（分析純）74.12g/mol環(huán)已烷（分析純）84.16g/mol方法暨原理電介質(zhì)分子處于電場(chǎng)中，電場(chǎng)會(huì)使非極性分子的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而變得不重合；電場(chǎng)也會(huì)使極性分子的正負(fù)電荷中心間距增大，這樣會(huì)使分子產(chǎn)生附加的偶極矩（誘導(dǎo)偶極矩）。這種現(xiàn)象稱(chēng)為分子的變形極化，可以用平均誘導(dǎo)偶極矩m來(lái)表示變形極化的程度。在中等強(qiáng)度的電場(chǎng)下設(shè)m=aDE內(nèi)式中E內(nèi)為作用于個(gè)別分子上的強(qiáng)場(chǎng)，aD為變形極化率。D內(nèi)內(nèi)D因?yàn)樽冃螛O化產(chǎn)生于兩種因素：分子

6、中電子相對(duì)于核的移動(dòng)和原子核間的微小移動(dòng)，所以有aD=aE+aA式中aE、aA分別稱(chēng)為電子極化率和原子極化率。設(shè)n為單位體積中分子的個(gè)數(shù),根據(jù)體積極化的定義（單位體積中分子的偶極矩之矢量和）有P=nm=na、ED內(nèi)為了計(jì)算E內(nèi),考慮勻強(qiáng)電場(chǎng)中分子受到的靜電力：內(nèi)維持勻強(qiáng)電場(chǎng)的電荷o所產(chǎn)生的力F電介質(zhì)極化產(chǎn)生的感生電荷o產(chǎn)生的力F2單個(gè)分子周?chē)奈⑿】障督缑嫔系母猩姾僧a(chǎn)生的力f3各分子間的相互作用F4（忽略）4兀4兀E內(nèi)=Ej+E2+E3=4no+4nP+P=E+P式中o為極板表面電荷密度。內(nèi)12333平行板電容器內(nèi)電量為定值的條件下：=C/C0=E0/E式中&C分別為電介質(zhì)的介電常數(shù)和電容器

7、的電容;腳標(biāo)0對(duì)應(yīng)于真空條件下的數(shù)值因?yàn)镋=4no-4no=E0-4no又E=E.8-1可得=-E式中o為感生電荷的面電荷密度。4兀體積極化的等價(jià)定義為“單位立方體上下表面的電荷o與其間距的積”，所以P=1xO=O8-14兀p因此P二希-E即E=二！8-13可得E8-14兀即=na8+23dTOC o 1-5 h z4兀P8+2andthanP=n%E內(nèi)=3皿dX8-1上式兩邊同乘分子量M和同除以介質(zhì)的密度p,并注意到nM/p=N0,即得8-1M4兀-=Na這就是Clausius-Mosotti方程。 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 8+2p

8、30d4兀定義“摩爾變形極化度”P(pán)=NaD30D電場(chǎng)中的分子除了變形極化外還會(huì)產(chǎn)生取向極化，即具有固有偶極矩的分子在電場(chǎng)的作用下，會(huì)或多或少地轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向。設(shè)它對(duì)極化率的貢獻(xiàn)為PO，總摩爾極化度為P=PD+PO=PE+PA+PO式中PE、PA、PO分別為摩爾電子極化度，摩爾原子極化度和摩爾取向極化度P=Na,P=NaE30EA30A30卩23KT由玻爾茲曼分布定律可得：式中|J為極性分子的固有偶極矩，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度最后得到8-1M4兀N/p2、-=o(a+a+)此式稱(chēng)為Clausius-Mosotti-Debye方程。8+2p3ea3KT將電介質(zhì)置于交變電場(chǎng)中時(shí)，其極化情況和電

9、場(chǎng)變化的頻率有關(guān)，交變電場(chǎng)的頻率小于1O10Hz時(shí)，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)。若P=PE則=n2,n為介質(zhì)的折射率，這時(shí)的摩爾極化度稱(chēng)為摩爾折射度R：因?yàn)镻A只有PE的10%左右，一般可以略去，或按PE的10%修正。丄)2(P-PE丄丄-P)2T2A9Ki11.略去PA則卩二()2(p一R)2T2，代入常數(shù)值得卩二0.0128、：(P一R)TA4兀N0由計(jì)算E內(nèi)忽略了分子間相互作用項(xiàng)F4,故需用無(wú)限稀的P、Rg，也即p=0.0128(PsRs)T所以我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中要測(cè)不同濃度下的P、R,再用外推法求Pg和Rg。由溶劑1和溶劑2組成的溶液體系，在濃度不很高時(shí)，其介電常數(shù)

10、、折射率、摩爾極化度以及密度均和濃度成線性關(guān)系，即：=1(1+aX2)n=n1(1+yX2)P=X1P1+X2P2p=p1(1+PX2)式中x、X2分別為溶劑和溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)，、p、P、n；氣、p、P1.n；2、P2、P2、n2分別為溶液、溶劑和溶質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)、密度、摩爾極化度和折射率，a、隊(duì)y為常數(shù)。由此可得：limPX23asi(+2)21RgRglimRi222n2+2x2oiM-1M卩M1+121 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document P+2piiiPM6n2Myi+iip(n2+2)2p HYPERLINK l bookmark18 o

11、Current Document iii這樣我們可用交變頻率為1000Hz的交流電橋，測(cè)量電容池中各濃度下溶液的電容，用此電容除以真空（代之以空氣）下電容池的電容即得介電常數(shù)&用阿貝折射儀測(cè)出可見(jiàn)光下各溶液的折射率n再用比重瓶和電子天平測(cè)出各溶液的密度p。由此三組數(shù)據(jù)作擬合可定出a、隊(duì)y，再代入上兩式算出PR和Rs最后算出分子的固有偶極矩步驟和注意事項(xiàng)配制正丁醇的環(huán)己烷溶液：對(duì)24號(hào)容量瓶分別稱(chēng)重；各加入20mL環(huán)己烷后再分別稱(chēng)重（1號(hào)也加，但不稱(chēng)重）；依次加入0.5mL、1mL、2mL、3mL正丁醇，再次分別稱(chēng)重。注意隨時(shí)蓋好容量瓶的瓶塞；最后溶液要搖勻。測(cè)定各溶液的折射率：用阿貝折光儀測(cè)量

12、15號(hào)溶液的折射率，每種溶液測(cè)量三次。測(cè)定各溶液為電介質(zhì)時(shí)的電容：先測(cè)定以空氣（擬真空）為電介質(zhì)時(shí)電容池的電容C。；再依次換用15號(hào)溶液作電介質(zhì)，測(cè)定電容池的電容。每組電容數(shù)據(jù)測(cè)定兩次；注意更換溶液時(shí)電容池和電極要清理干凈。測(cè)定各溶液的密度：用比重瓶測(cè)定15號(hào)溶液的密度。使用比重瓶時(shí)不要用手直接拿取。結(jié)果與討論：實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖并計(jì)算（詳見(jiàn)附件：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的2.數(shù)據(jù)處理及誤差計(jì)算），最終得到結(jié)果正丁醇的固有偶極矩大小p=1.71Debye與文獻(xiàn)值61.66Debye比較，相對(duì)誤差3.01%對(duì)結(jié)果及其誤差等問(wèn)題的討論所測(cè)數(shù)據(jù)總體上的誤差大?。簄對(duì)X2線性擬合的線性相關(guān)系數(shù)R=0.999,對(duì)X2線性

13、擬合的線性相關(guān)系數(shù)R=0.993,p對(duì)X線性擬合的線性相關(guān)系數(shù)R=0.993。線性相關(guān)系數(shù)都很好,這說(shuō)明各組數(shù)據(jù)總體誤差較小,實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)操作沒(méi)有錯(cuò)誤。當(dāng)然,這不排除系統(tǒng)誤差造成的結(jié)果偏離。用比重瓶和電子天平測(cè)密度的誤差較大：正丁醇的環(huán)己烷溶液有較強(qiáng)的揮發(fā)性,裝入比重瓶后,如果仔細(xì)的慢慢擦拭瓶口附近溢出的溶液,則毛細(xì)管上端的液柱總是會(huì)回縮產(chǎn)生一段空氣柱。這段空氣柱必然帶來(lái)較大的誤差,但是溢出的溶液又不能不擦凈,否則也同樣會(huì)帶來(lái)較大誤差！我的解決辦法是：灌滿溶液塞上塞子后,在塞子頂端即毛細(xì)管末端滴一滴溶液,然后趕快擦拭瓶口附近溢出的溶液,只要?jiǎng)幼骺煲稽c(diǎn),擦干凈瓶口附近時(shí)頂端的那滴溶液還沒(méi)有完全

14、揮發(fā)。此時(shí)迅速將比重瓶放在電子天平上,待頂端那滴溶液剛剛揮發(fā)完也就是毛細(xì)管中的液柱剛要回縮時(shí)讀取天平的示數(shù),即可。恒溫水浴的溫度與室溫：本實(shí)驗(yàn)中,電容、折射率的數(shù)據(jù)是在恒溫水浴的溫度下進(jìn)行測(cè)量的；而配制溶液、測(cè)量密度是在接近室溫的條件下進(jìn)行的；最后我選擇的水的密度以及溫度變量T均為恒溫水浴溫度下相應(yīng)的值。這就要求恒溫水浴溫度盡量接近室溫,否則將帶來(lái)系統(tǒng)誤差本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值之間誤差的主要來(lái)源也應(yīng)該在此。還有,配制好的溶液最好浸泡在恒溫水浴的水槽中恒溫,以進(jìn)一步減小誤差。另見(jiàn)附件2數(shù)據(jù)處理及誤差計(jì)算）Acknowledgements：ThisworkwassupportedbytheLabofP

15、hysicalChemistry（LPC）.ThankstotheteachersofLPCandappreciatealltheteachingassistantshelp!參考文獻(xiàn)：1Ira.N.Levine.PhysicalChemistry,2ndEd.Wiley-Interscience,1983.2趙藻藩,周性堯,張悟銘,趙文寬.儀器分析,高等教育出版社,1990.3MicrosoftCorporation.MicrosoftExcel2002幫助文檔,MicrosoftCorporation,2001.4中國(guó)大百科全書(shū)（光盤(pán)版）,化學(xué)、物理等卷.中國(guó)大百科全書(shū)出版社,2000.5

16、南京大學(xué)物理化學(xué)教研室傅獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng).物理化學(xué),第四版（上,下冊(cè)）.高等教育出版社,1990.6J.A.Dean.LangesHandbookofChemistry,13thEd.McGraw-Hill,1985.附件：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)紀(jì)錄：1.1環(huán)境狀況：室溫：21.0C始；22.0C終。超級(jí)恒溫水浴溫度：23.0C,23.6C平均23.3C=296.45K1.2儀器/藥品主要參數(shù)：恒溫水浴溫度/C23.023.6平均溫度/C23.3TableA1.23C純水的密度弘=0.997565g/cm3正丁醇的摩爾質(zhì)量Mba=74.12g/mol環(huán)已烷的摩爾質(zhì)量M；=84.16g/mol樣

17、品編號(hào)稱(chēng)量法配制樣品/g折射率n電容C/pF比重瓶質(zhì)量/g空容量瓶+20mL環(huán)己烷+正丁醇11.42511.42501.42507.907.9119.886235.02050.29350.5941.42411.42401.42428.00&0119.888331.05146.31547.0171.42341.42331.42338.138.1219.890436.78951.97253.4931.42161.42161.42158.378.3819.897543.04758.22960.5471.42011.42011.4201&718.7219.9041.3測(cè)得數(shù)據(jù)的紀(jì)錄：空氣電容/pF空比

18、重瓶6.026.0312.112裝水的瓶22.1182數(shù)據(jù)處理及誤差計(jì)算：（1）計(jì)算各濃度溶液中正丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)濃度x2（m一m）/MX=2122（m一m）/M+（m一m）/M212101其中M2=Mba=74.12g/mol，M1=Mch=84.16g/mol由TableA1的部分?jǐn)?shù)據(jù)求得下表:TableA2.樣品編號(hào)稱(chēng)量法配制樣品/g摩爾分?jǐn)?shù)濃度x2空容量瓶+20mL環(huán)己烷+正丁醇1一一一0.00000235.02050.29350.5940.02189331.05146.31547.0170.04963436.78951.97253.4930.10213543.04758.22960.5

19、470.14775由各濃度溶液的折射率求參數(shù)Y根據(jù)n=n(1+yX2),以n對(duì)X2作線性擬合得斜率k=nj，截距b=n，所以y=k/b。由TableA1的部分?jǐn)?shù)據(jù)求得下表：TableA3.樣品編號(hào)折射率n平均n11.42511.42501.42501.425021.42411.42401.42421.424131.42341.42331.42331.423341.42161.42161.42151.421651.42011.42011.42011.4201因此對(duì)下列數(shù)據(jù)作線性擬合，得(圖見(jiàn)下頁(yè))TableA4.X20.00000.02190.04960.10210.1477n1.42501.4

20、2411.42331.42161.4201k=0.032904b=1.424942=n1Y=k/b=0.02309FigA1.以n對(duì)X2線性擬合求參數(shù)Y由各濃度溶液做電介質(zhì)時(shí)電容池的電容求參數(shù)a根據(jù)=1(1+aX2)，以對(duì)X2作線性擬合得斜率k=氣a，截距b=氣，所以a=k/b。而介電常數(shù)是不能直接獲得的，需要由同一電容池的電容數(shù)據(jù)按=C/C求出。但是我們實(shí)際使用的電容池總會(huì)有分布電容Cd與真空電容C0或介質(zhì)電容C并聯(lián)著，即實(shí)際測(cè)得的是C0=Cd+C0和C=Cd+C，為了從實(shí)測(cè)電容中扣除此分布電容的影響,必須算出分布電容：對(duì)于真空(空氣)電容有C0=Cd+C0；對(duì)于純環(huán)己烷電容有Cch=Cd+

21、Cch；并且ch=Cch/C0=2.0230.0016(t/C20)則Cch/C0=2.0230.0016(t/C20)=2.0230.0016(23.320)=2.01772C二1.84727pF0C二4.17773pFd6025pF二C二C+C0d0聯(lián)立求解7.905pF=C=C+CchdchC/C二2.01772ch0由TableA1的部分?jǐn)?shù)據(jù)求得下表:TableA5.樣品編號(hào)電容C/pF平均C/pF介電常數(shù)17.907.917.9052.017728.008.018.0052.0719252.136848.378.388.3752.272158.718.728.

22、7152.4562空氣電容/pF6.026.036.025真空電容C0=1.84727pF分布電容Cd=4.17773pFA自Xy=2.90106x+2.00447因此對(duì)下列數(shù)據(jù)作線性擬合，得TableA6.X20.00000.02190.04960.10210.14772.01772.07192.13682.27212.4562X2FigA2.以對(duì)X2線性擬合求參數(shù)ak=2.90106b=2.00447予a=k/b=1.4473由各濃度溶液的密度求參數(shù)p根據(jù)p=p1(l+pX2),以p對(duì)X2作線性擬合得斜率k=pf,截距b=p1,所以B=k/b。W-W而P二P，其中W是加溶液的容量瓶質(zhì)量，W水是加水的容量瓶質(zhì)量,W-W水水水0W0是空容量瓶質(zhì)量；水的密度取實(shí)驗(yàn)溫度23C下的相應(yīng)值一.997565g/cm3。由TableA1的部分?jǐn)?shù)據(jù)求得下表:TableA7