偶極矩測(cè)定用小電容測(cè)量?jī)x測(cè)偶極矩(帶思考題答案)

偶極矩的測(cè)定姓名：學(xué)號(hào)：組別：用小電容測(cè)量?jī)x測(cè)偶極矩【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.掌握溶液法測(cè)定偶極矩的原理、方法和計(jì)算。2.熟悉小電容儀、折射儀的使用。3.用溶液法測(cè)定正丁醇的偶極矩，了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.偶極矩與極化度分子呈電中性，但因空間構(gòu)型的不同，正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合，前者為非極性分子，后者稱為極性分子，分子極性大小用偶極矩μ來(lái)度量，其定義為μ=gd

(1)式中，g為正、負(fù)電荷中心所帶的電荷量;d是正、負(fù)電荷中心間的距離。偶極矩的SI單位是庫(kù)米(C·m)。而過(guò)去習(xí)慣使用的單位是德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。若將極性分子置于均勻的外電場(chǎng)中，分子將沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還會(huì)發(fā)生電子云對(duì)分子骨架的相對(duì)移動(dòng)和分子骨架的變形，稱為極化。極化的程度用摩爾極化度P來(lái)度量。P是轉(zhuǎn)向極化度(P轉(zhuǎn)向)、電子極化度(P電子)和原子極化度(P原子)之和，P=P轉(zhuǎn)向+P電子+P原子

(2)其中，

(3)式中，NA為阿佛加德羅(Avogadro)常數(shù);K為玻耳茲曼(Boltzmann)常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精確的測(cè)量中可以忽略P原子，(2)式可寫成P=P轉(zhuǎn)向+P電子

(4)只要在低頻電場(chǎng)(ν<1010s-1)或靜電場(chǎng)中測(cè)得P;在ν≈1015s-1的高頻電場(chǎng)(紫外可見(jiàn)光)中，由于極性分子的轉(zhuǎn)向和分子骨架變形跟不上電場(chǎng)的變化，故P轉(zhuǎn)向=0，P原子=0，所以測(cè)得的是P電子。這樣由(4)式可求得P轉(zhuǎn)向，再由(3)式計(jì)算μ。通過(guò)測(cè)定偶極矩，可以了解分子中電子云的分布和分子對(duì)稱性，判斷幾何異構(gòu)體和分子的立體結(jié)構(gòu)。2.溶液法測(cè)定偶極矩所謂溶液法就是將極性待測(cè)物溶于非極性溶劑中進(jìn)行測(cè)定，然后外推到無(wú)限稀釋。因?yàn)樵跓o(wú)限稀的溶液中，極性溶質(zhì)分子所處的狀態(tài)與它在氣相時(shí)十分相近，此時(shí)分子的偶極矩可按下式計(jì)算:

(5)式中，P∞2和R∞2分別表示無(wú)限稀時(shí)極性分子的摩爾極化度和摩爾折射度(習(xí)慣上用摩爾折射度表示折射法測(cè)定的P電子);T是熱力學(xué)溫度。

本實(shí)驗(yàn)是將正丁醇溶于非極性的環(huán)己烷中形成稀溶液，然后在低頻電場(chǎng)中測(cè)量溶液的介電常數(shù)和溶液的密度求得P∞2;在可見(jiàn)光下測(cè)定溶液的R∞2，然后由(5)式計(jì)算正丁醇的偶極矩。(1)極化度的測(cè)定無(wú)限稀時(shí)，溶質(zhì)的摩爾極化度P∞2的公式為ε環(huán)己烷=2.023-0.0016（t-20）C溶/=C溶+CdCd=（ε標(biāo)C空/-C標(biāo)/）/（ε標(biāo)-1）ε溶=C溶/C空1.將所測(cè)數(shù)據(jù)列表。{原始數(shù)據(jù)}折射率的測(cè)定（γ）電容的測(cè)定（α）T=19.0序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2折射率（n溶1）溫度T1/°C折射率（n溶2）溫度T2/°CC空//pFC′溶1/pFC′溶2/pF00（環(huán)己烷）1.428011.751.427211.874.426.91（C′標(biāo)）6.91（C′標(biāo)）10.041.426311.781.425811.877.077.0720.061.425711.781.425211.897.167.1530.081.424911.81.424611.897.277.2740.101.424311.81.424011.897.397.3950.121.423511.81.423211.897.557.532.{數(shù)據(jù)處理}作(n19溶/n1)～X2圖，由直線斜率求值?？芍?-0.02427以第1組數(shù)據(jù)說(shuō)明數(shù)據(jù)處理過(guò)程：折射率的測(cè)定（γ）序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2折射率（n溶1）溫度T1/°C折射率（n溶2）溫度T2/°C10.041.426311.781.425811.87由公式n19=nT+0.00045*(T-19)（n19：19°Cn19溶1=nT+0.00045*(T-19)=1.4263+0.00045*(11.78-19)=1.423051n19溶2=nT+0.00045*(T-19)=1.4258+0.00045*(11.87-19)=1.4225915n19溶=（n19溶1+n19溶2）/2=1.422821重復(fù)上述步驟，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：折射率的測(cè)定（γ）值的計(jì)算序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2折射率（n溶1）溫度T1/°C折射率（n溶2）溫度T2/°C平均折射率（n19溶）（n19溶/n1）00（環(huán)己烷）1.428011.751.427211.871.424365（n1）110.041.426311.781.425811.871.4228210.99891620.061.425711.781.425211.891.4222260.99849830.081.424911.81.424611.891.421530.9980140.101.424311.81.424011.891.420930.99758950.121.423511.81.423211.891.420130.997027作(n19溶/n1)～X2圖關(guān)系式：Y=0.99996關(guān)系式：Y=0.99996-0.02427*XR=-0.99904由直線斜率求值，可知=-0.02427（2）作（ε溶/ε1）～X2圖，由直線斜率求值。可知α=1.05614。以第0組數(shù)據(jù)說(shuō)明數(shù)據(jù)處理過(guò)程：電容的測(cè)定（α）T=19.0序號(hào)正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X2C空//pFC′溶1/pFC′溶2/pF00.044.426.916.91由公式可知：ε標(biāo)=ε環(huán)己烷=2.023-0.0016*（t-20）=2.023-0.0016（19-20）=2.0246平均C′溶=(C′溶1+C′溶2)/2=6.91(=C標(biāo)/)Cd=（ε標(biāo)C空/-C標(biāo)/）/（ε標(biāo)-1）=（2.0246*4.42-6.91）/(2.0246-1)=1.989783C溶=C溶/-Cd=6.91-1.989783=4.920217C空=C空/-Cd=4.42-1.989783=2.430217ε溶=C溶/C空=4.920217/2.430217=2.0246（=ε1）重復(fù)上述步驟，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：序號(hào)012345電容的測(cè)定（α）T=19.0正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)X200.040.060.080.10.12C空//pF4.42C′溶1/pF6.917.077.167.277.397.53C′溶2/pF6.917.077.157.277.397.53α值的計(jì)算平均C′溶/pF6.91（C′標(biāo)）7.077.1557.277.397.53Cd/pF1.989783C溶/pF4.9202175.0802175.1652175.2802175.4002175.540217C空/pF2.430217ε溶2.0246（ε1）2.0904382.1254142.1727352.2221132.279721（ε溶/ε1）11.0325191.0497951.0731681.0975571.126011作（ε溶/ε1）～X2圖關(guān)系式：Y=關(guān)系式：Y=0.9931+1.05614*XR=0.99107由直線斜率求α值，可知α=1.05614（3）計(jì)算P∞2和R∞2.由公式可知：環(huán)己烷密度公式dsαβγ適用溫度0.79707-0.8879-0.9721.550~65故T=19.0°環(huán)己烷密度p1=0.79707+10-3*（-0.8879）*（19-0）+10-6*（-0.972）*（19-0）2+10-9*1.55*（19-0）3=0.78gcm-1且由（1）（2）可知n1=1.424365，ε1=2.0246，α=1.05614，β=0，=-0.02427，M1=84，M2=74代入公式可得：=66.803084=22.2667(4)求算正丁醇的。由公式可知:=4.86*10-30C【注意事項(xiàng)】1.每次測(cè)定前要用冷風(fēng)將電容池吹干，并重測(cè)C′空，與原來(lái)的C′空值相差應(yīng)小于0.02PF。2.測(cè)C′溶時(shí)，操作應(yīng)迅速，池蓋要蓋緊，防止樣品揮發(fā)和吸收空氣中極性較大的水汽，影響測(cè)定值。故操作要迅速，試劑和溶液應(yīng)隨時(shí)蓋緊，溶液應(yīng)透明不發(fā)生渾濁。3．每次裝入量嚴(yán)格相同，樣品過(guò)多會(huì)腐蝕密封材料滲入恒溫腔，實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行。4.注意不要用力扭曲電容儀連接電容池的電纜線，以免損壞。【思考問(wèn)題】1.本實(shí)驗(yàn)測(cè)定偶極矩時(shí)做了哪些近似處理?（1）分子結(jié)構(gòu)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，并認(rèn)為正、負(fù)電荷中心的距離是d。（2）由于P原子在P中所占的比例很小，在不很精確的測(cè)量中可以忽略P原子，認(rèn)為P=P轉(zhuǎn)向+P電子。（3）因?yàn)榭諝庀鄬?duì)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，實(shí)驗(yàn)上通常以空氣為介質(zhì)時(shí)的電容C空作為C0。（4）以高頻電場(chǎng)代替中頻電場(chǎng)。（5）以無(wú)限稀釋溶液體系近似于分子間無(wú)相互作用、溫度不太低的氣相體系。2.準(zhǔn)確測(cè)定溶質(zhì)的摩爾極化度和摩爾折射度時(shí)