偶極距的測定

(3)(4)有略去P由(4)(5)(3)(4)有略去P由(4)(5)式可得A9K 1卩=( )2(P—P—P)2T24冗N EA09K1=( )2(P—4冗N011R)2T2(5)(6)(7)偶極矩的測定摘要：本實驗利用溶液法測定正丁醇的偶極矩，首先將正丁醇溶于非極性的環(huán)己烷中形成稀溶液，然后通過測量溶液的介電常數(shù)和溶液的密度求得P8,再測定溶液的折射率求得R8,然后計算正丁醇的偶極矩。關(guān)鍵詞：正丁醇、偶極矩、介電常數(shù)、折射率實驗部分：1、實驗原理偶極矩與極化度分子結(jié)構(gòu)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，前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子，分子的極性可用偶極矩來表示。兩個大小相等符號相反的電荷系統(tǒng)的電偶極矩的定義為f廠=qr ⑴式中下是兩個電荷中心間距矢量，方向是從正電荷指向負(fù)電荷。若將極性分子臵于均勻的外電場中，分子將沿電場方向轉(zhuǎn)動，同時還會發(fā)生電子云對分子骨架的相對移動和分子骨架的變形，稱為極化。極化的程度用總摩爾極化度P來度量：P=P+P=P+P+P (2)式中P、P、P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。EAO如將電介質(zhì)臵于交變電場中，則其極化和電場變化的頻率有關(guān)。當(dāng)交變電場的頻率增加到大于1015秒=高頻場(可見光和紫外)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P=0、P=0、P=P。這時e=n2,n為介質(zhì)的折射率，這時的摩爾極化度稱為摩爾折OAEn2-1MP=R= -——E n2+2P因為P只有P的10%左右，一般可以略去，或按P10%修正。AEE由Clausius-Mosotti-Debye方程MM4冗N 卩2、= o(a+a+丿P3EA3KT由(7)計算E忽略了分子間相互作用項，故用無限稀的P?、R?計算卩，內(nèi)r=0.0128(P—R)T (8)所以我們在實驗中要測不同濃度下的P、R，再用外推法求P?和R-o對于由溶劑1和溶劑2組成的溶液體系，根據(jù)Hedestrand(Z.Phys.Cnem.，2438(1929))

的理論，其介電常數(shù)、折射率、摩爾極化度以及密度均和濃度成線性關(guān)系，即：￡=￡ (1+aX)12n=n(1+yX)12P=P(1+0X)12P=XP+XP式中X、X分別為溶劑和溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)，￡、、p、P、n；￡、p、P、12111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、n；101、(10)(11)(12)￡n；101、(10)(11)(12)￡、P、P、n2222Y為常數(shù)。由此—limp—2x2—、03as 1—(s+2尸1M s-1 M—卩M 1+—1 - 2 1p s+2p111(13)—limR—2x2—>0n2-1—1 n2+21M—卩M 6n2Mr 2 1-+ 11p (n2+2)2p111(14)PCM-1A型精密電容測量儀一臺HK-2APCM-1A型精密電容測量儀一臺HK-2A超級恒溫水浴一臺容量瓶（25毫升）6只比重瓶1只試劑：正丁醇（分析純）環(huán)已烷（分析純）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代入⑼-（12）式，可定出a、0、Y,再代入（13）、（14）式算出P?和R8,再由⑻式算出分子的永久偶極矩U。2、儀器和藥品儀器：阿貝折射儀一臺分析天平一臺電容池1只電吹風(fēng)一只3、實驗步驟首先打開儀器預(yù)熱，將恒溫水浴的溫度設(shè)定為30°C（水浴連接到阿貝折射儀和電容池），然后進行以下實驗：（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（加入正丁醇的量分別為0、0.5、1.0、2.0、3.0毫升，除0%外，其余溶液的濃度只要求精確標(biāo)出濃度值）。（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①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，蓋上金屬蓋，測定其電容Co。取三次讀數(shù)的平均值。用移液管定量吸取純環(huán)已烷2.0mL加入電容池，恒溫數(shù)分鐘后如上述步驟測定電容值。再次測定電容值，取二次平均值為C。環(huán)由于Cd總是并聯(lián)于電容池，所以有=C==C=C=C/Co=2.023－0.0016(t－20)環(huán)+Cd環(huán)+Cd(16)(17)式中t為cc),(15)式為環(huán)已烷的介電常數(shù)隨溫度變化的公式，解上述方程組，可得Co、Cd。②加溶液電容的測定測定方法同于純環(huán)已烷。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溶液密度的測定用比重瓶在分析天平上分別稱得瓶重W，加液后的質(zhì)量W，和加水后的W，按012(18)W-W(18)P= 1Lp(t)溶W-W水20計算溶液的密度P。式中p(t)為在工作溫度下的密度，可由表中查出。溶水4、注意事項配制溶液時應(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)迅速蓋上瓶蓋每次測定電容前必須用電吹風(fēng)將二極間的空隙吹干。每次測定電容時溶液的裝入量應(yīng)嚴(yán)格相同。4)測量中要避免比重瓶中氣泡的產(chǎn)生，等測完所有溶液的密度后，才加水測量W。2結(jié)果與討論：⑴、實驗結(jié)果計算得到的各常數(shù)的值為：1.30233P=0.018026y=-0.01737P=76.287R?=22..537正丁酉芋的偶極矩為：卩=1.63(D)⑵、分析和討論：本實驗相對誤差僅為1.81%，實驗結(jié)果十分準(zhǔn)確，說明本實驗所用的測量偶極矩的方法還是比較精確和合理的。實驗的誤差來源主要有以下幾個方面：1、 實驗理論上，各種近似處理使實驗本身就存在誤差。比如：計算E時忽略了各分子間的相互作用F;內(nèi)4由于摩爾原子極化度P所占的比例很小，所以在計算中將其忽略了；A因為空氣相對于真空的介電常數(shù)為1.0006，與真空作介質(zhì)的情況相差甚微，所以實驗中以空氣為介質(zhì)時的電容C空作為C;以無限稀釋溶液體系近似于分子間無相互作用的氣相體系。2、 本實驗所用試劑都是易揮發(fā)的液體，在稱量和測量過程中難免會揮發(fā)，還可能會吸收空氣中的水汽，這些都會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。尤其在測量溶液密度時，由于比重瓶不是密封的，在稱量時溶液不斷揮發(fā)，導(dǎo)致示數(shù)一直在變化，很難準(zhǔn)確稱量，所以密度的數(shù)據(jù)可能誤差較大，從圖2可看出p-X曲線的擬合度不是很好，且其中一組數(shù)據(jù)明顯有問題，應(yīng)該正溶2是這個原因。3、 儀器本身也存在一定的誤差。⑶、思考題：1、測量中為什么溶液的濃度不能太高(如20%)？答：計算摩爾極化度和摩爾折射度的公式，只適用于分子間無相互作用、溫度不太低的氣相體系。而用溶液法進行測定時，在溶液中存在有溶質(zhì)分子與溶劑分子以及溶劑分子與溶劑分子間作用的溶劑效應(yīng)，若溶液濃度太高，溶劑效應(yīng)就會很強。所以測量時濃度不能太高，這樣在推至無限稀釋后，溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)才能夠與氣相中的情況相似，可以通過公式求算各數(shù)據(jù)。參考文獻：【1】R.J.W.，Lefevre.andH.Vine，J.Chem.Sce.，1805，（1977）【2】AlexBomilla，J.Chem.Educ.，2，130，（1977）【3】孫承諤，《化學(xué)通報》，5，（1957）【4】LeFevre，“DipoleMoments”，（1954）【5】J.W.Wilson，ExperimentsinPhysicalChemistry，（1962）DeterminationofDipoleMomentAbstract：Thisexperimentusingsolutionmethodfornormalbutanoldipolemoment.Thenormalbutylalcoholsolubleinnonpolarcyclohexaneformedindilutesolution,andthenthroughthemeasurementsolutionofdielectricconstantandthedensityofsolutionforP”，thentestsolutionrefractiveindexforR,thencalculatenormalbutanoldipolemoment.Keywords:normalbutanol,dipolemoment,dielectricconstant,refractiveindex附件：實驗數(shù)據(jù)處理1.各溶液的摩爾分?jǐn)?shù)濃度查得：正丁醇的摩爾質(zhì)量為74.12g/mol，環(huán)己烷為84.16g/mol，再根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算各溶液的摩爾分?jǐn)?shù)濃度X2%（x= W正丁醇/74?12 ）:2 2W/74.12+W/84.16正丁醇 環(huán)己烷環(huán)己烷質(zhì)量/g正丁醇質(zhì)量/g摩爾分?jǐn)?shù)濃度1號（加0mL正丁醇）002號（加0.5mL正丁醇）15.1680.3460.025253號（加1.0mL正丁醇）14.9280.7210.051994號（加2.0mL正丁醇）14.3521.5360.108355號（加3.0mL正丁醇）14.2232.2960.154902.由折射率計算Y值1號2號3號4號5號摩爾分?jǐn)?shù)濃度00.025250.051990.108350.15490平均折射率1.42201.42071.42041.41951.4177用平均折射率對摩爾分?jǐn)?shù)濃度作圖得到n-X2曲線如下圖所示:

1.422-1.4211.420-11.422-1.4211.420-1.419-1.418-141FI| | | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■-0.02U.ULI0.02 0.04 0.06 0.08U.1U0.12 0.14U.16可得此擬合直線的斜率是-0.0247,，可計算擊曲詢?yōu)椋海?斜率/斤=-0.024為1.4220=-0.01737環(huán)3?計算溶液密度和P值記瓶重為W，加液后的質(zhì)量為W，加水后的為W，用分析天平可直接測量出溶液凈重W-W和水01210的凈重W-W，再由公式p=W1-W0p(t)可計算出各溶液密度，測量數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果列于2 0 溶W-W水20下表：(水的凈重W-W=10.282g,,查得30°C下水的密度為P(30°C)=0.9956g/ml) 2——0 1 水 1 1-——0 11號2號 水 13號4號5號摩爾分?jǐn)?shù)濃度00.025250.051990.108350.15490(W-W)/g107.9527.9497.9627.9687.975P..(g/ml) 溶 10.769990.769700.770960.771540.77221觀察上表中的數(shù)據(jù)，可看出第2號的數(shù)據(jù)不合理，故處理時忽略該組數(shù)據(jù)。用溶液密度對摩爾分?jǐn)?shù)濃度作圖得到P-X曲線如下圖所示：溶2卩溶(g/ml)Eqistiony=s+bK>WeightNoWeighingEqistiony=s+bK>WeightNoWeighingResidualSumofSqiQnes3j55063&8禺.R-Square0.97994WueStu由nd&rorBhterceptD.770081.12D29E-4SlopeD.013880DD1140.7725-i0.7720-0.7715-0.7710-0.7705-=0.0180264?計算Co、Cd、e和a值溶測得的真空電容為C=4.523(PF)，溶劑環(huán)己烷的電容為C'=6.605(PF)0環(huán)根據(jù)公式可計算出30°C下環(huán)己烷的介電常數(shù)為：￡ =2.023—0.006(t—20)=2.023—0.006x(30—20)=1.963環(huán)再由方程組e=C/C,C‘ =C+C,C‘ =C+C有:環(huán) 環(huán)0 環(huán) 環(huán)d oodC'—C' 6.605—4.525C=環(huán)o= =2.1599(PF)0 ￡—1 1.963—1環(huán)C=C'—C=4.525—2.1599=2.3651(PF)d00測得的電容減去Cd后才是該溶液對應(yīng)的電容值，故各溶液的實際電容值如下表：1號2號3號4號5號測量電容C'(PF)、決6.6056.7306.8357.1157.465電容C(PF)溶4.23994.36494.46994.78995.09998、瘀1.96302.02092.06952.21762.3612r(-4X00.025250.051990.108350.15490用介電常數(shù)對摩爾分?jǐn)?shù)濃度作圖得到e-X曲線如下圖所示:溶2-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0^8 0.10 0.12 0.14 0.16可得此擬合直線斜率為2.圖648，可計算出a為：a=斜率/￡環(huán)=2.55648/1.9630=1.302335?計算Ps、Rs