分子偶极矩的测定

分子偶极矩的测定周涛在这个实验中，乙酸乙酯的分子偶极矩是通过测量物质的密度、折射率和介电常数并根据理论推导出的公式来计算的。关键词：密度、折射率、介电常数、分子偶极矩。介绍王在求解1中分子偶极矩的几个计算公式中，推导了分子偶极矩实验数据处理中的方程，并用Hedestrand方法和Halverstadt-Kumler方法求解了问题。然而，上述文献中的计算方法，许多其他文献中的相同方法，以及用德拜公式对原理的直接解释，忽略了分子偶极矩中的140项，导致许多实验者在数据处理上有困难，甚至计算结果与文献值之间有几个数量级的差异。本文主要是对该原理的补充，并通过实验数据与文献值的对比，证明了该原理的正确性。张建洲在偶极矩的测定及其应用2中阐述了用折射法测定偶极矩的原理，并简要介绍了分子偶极矩在判断化学键极性等方面的应用。考虑到折射法需要消耗更多的样品，而电桥法需要更少的样品，并且实验结果仍然相对准确，所以在本实验中使用电桥法来确定介电常数。1个实验部分1.1原则1.1.1偶极矩和极化分子的外观是电中性的，但是由于不同的空间构型，分子的正中心和负中心可能不重合，从而显示极性，其大小通过偶极矩来测量=qd其中q是正(负)电荷中心携带的电荷量，d是正负电荷之间的距离。偶极矩的方向是从正到负指定的。极性分子有偶极矩。在没有外部电场的情况下，由于分子的热运动，偶极矩在所有方向上具有相等的机会，因此统计偶极矩等于0。当分子被置于外部电场中时，分子将沿着外部电场的方向进行定向旋转。同时，分子中的电子云将相对于分子骨架移动，分子骨架本身也将经历一定的变形而变成分子极化。摩尔极化可以用来测量分子极化的程度。转向引起的极化变成摩尔转向极化，变形引起的极化是摩尔变形极化，包括电子极化和原子极化。也就是说，P=P转P变形=P转(P电子P原子)众所周知，P圈与永久偶极矩的平方成正比，与热力学温度成反比，即p转向=14049NAMU 2 KBt=NAMU 290KBt其中kb为玻尔兹曼常数，NA为阿伏伽德罗常数。对于非极性分子，=0，即P变成=0，所以P=P电子P原子。对于极性分子，分子的极化程度与外部电场的频率有关。在低频电场(1010s-1)下，摩尔极化率等于摩尔转向极化率和摩尔形变极化率之和。在中频电场(=1012 1014s-1)下，电场的交变周期小于偶极矩的弛豫时间，分子转动不能跟上电场的变化，P转动=0，所以P=P电子P原子；在高频电场(1015s-1)下，分子骨架的形变运动跟不上电场的变化，所以P=P电子。因此，如果分别在低频和中频电场下测量分子摩尔极化率，可以通过减去两者来获得分子摩尔转向极化率，进而获得极性分子的永久偶极矩。在实验中，一般不使用中频电场，所以用高频电场代替中频电场。由于分子骨架形变引起的形变极化程度仅占形变极化程度的10% 15%，在实验中通常被忽略。在计算过程中，可以将其考虑在内。1.1.2 Dete由于条件的限制，上述公式仅适用于温度不太低的气相系统。然而，很难通过实验测量气体的介电常数和密度。因此，提出了一种溶液法，其中待测分子溶解在非极性分子溶剂中，测量不同浓度溶质的摩尔极化率并外推至无限稀释，从而此时溶质分子之间没有相互作用。海德思壮使用稀溶液近似公式=1(1 x2)=1(1 x2)其中和分别是溶液的介电常数和密度；1和1分别代表溶剂的介电常数和密度。X2是溶质的摩尔分数。和是常数。除了溶液的可加性之外，摩尔极化率P2p=P2=limx 20P 2=31(1 2)2M 11(1-11 2)M2-M11公式中，1、1和M1分别代表溶剂的介电常数、密度和相对分子质量；M2代表溶质的相对分子质量。因此，只要测量纯溶剂和不同浓度溶液的介电常数和密度，就可以计算溶质分子的摩尔极化率。根据光的电磁理论，在相同的高频电场下，介电常数与图形名称物质的折射率n之间的关系是=n2在高频电场下，极化程度用摩尔折射来表示，即R2=P形变=P电子=(n2-1n2) m测量不同浓度溶液的摩尔折射率r，并将外推值无限稀释，得到溶质的摩尔折射率公式R2=lim x20R 2=6N 12 m1(n12 2)21(n12-1n 12 2)M2-M11其中n1是溶剂的摩尔折射率；是一个常数，可以通过以下公式获得n=n1(1 x2)其中n是溶液的摩尔折射率。概括起来P转向=P-P变形=P低频-P中高频=P2-R2p转向=P2 - R2 =纳姆290kbT=90kbTP至NA1.1.3密度测定密度用密度瓶法测量。也就是说，分别精确地测量装有溶液的密度瓶的质量，并用已知密度的水校准密度瓶的体积。应该注意的是，由于几种物质使用一个密度瓶，高级挥发性溶液的质量在使用过程中被确定，最终水被确定。1.1.4介电常数的测定介电常数是通过测量电容来计算的。根据定义=CxC0其中C0是真空中电容器两个极板之间的电容；Cx是填充电介质x时的电加热能力。当测量小电容时，分布电容镉仍然存在于整个测试系统中。因此，物质的测量电容是物质的实际电容和分布电容的总和，即Cx测量=Cx光盘在实验中，由于条件的限制，当电介质是空气时，C0被实际电容代替。也就是说，=cxc0 cxcnullx=Cxcnull=Cx-CDC null=Cx-CDC null-Cd根据上述公式，用已知介电常数的标准物质校准镉，即Cd=C空 -C标准 -1 根据等式和，待测物质的介电常数可以通过使用实验数据来计算。实验中使用的标准物质是环己烷，其介电常数与摄氏温度的关系是=2.052-1.5510-3t1.2实验方法1.2.1主要仪器和药物仪器：1套THX-05低温恒温循环器，1套PCM-1A型介电常数测量仪，1套WAY-2S数字阿贝折射仪，1个密度瓶，5个50mL容量瓶，1个5mL刻度移液管和几个滴管。试剂：环己烷、乙酸乙酯、去离子水。1.2.2实验方法(1)配制不同浓度的溶液。称重法用于制备50毫升溶液，摩尔分数x2分别为0.05、0.10、0.15、0.20和0.30。在制备过程中，根据其体积的摩尔分数进行测量，并精确称量质量(差值法，称量空瓶、乙酸乙酯和总溶液的质量)。体积测量公式为V=V解x2m 2/2 x2/2(1-x2)M1/1公式中，M2和2分别是溶质的相对分子质量和密度，M1和1分别是溶液的相对分子质量和密度密度测量。用密度瓶法测定水、环己烷和五种溶液的密度。每次称重后，吹干密度瓶，并通过称量空瓶的质量来确定是否吹干。介电常数的测定。连接电容电池和电容测试仪，打开电源，预热10分钟。测量空气的电容C为空，测量标准环己烷的电容C。样品池干燥后，再次测量空气的电容，以检查环己烷是否干燥，并确定仪器的稳定性。(5)根据步骤(4)，测量五种不同浓度溶液的电容Cx。为了检查前一种物质是否干燥，每次都要测量空气的电容。每组平行测量三次。2实验结果和分析表1校正后材料参数的准确值室温：25，压力：10388千帕，空气介电常数：6.30物质(乙酸乙酯的摩尔分数)密度介电常数折射率环己烷(0)0.77612.0131.42020.05060.78092.23181.41660.10190.78352.37201.41350.15210.78622.53181.41000.20320.79152.72851.40690.30380.80213.09241.4013图2密度-x2图图1 -x2图图3折射率n-x2图综上所述，-x2图的斜率为1，的计算值为1.7099；-x2图的斜率为1，的计算值为0.1091；n-x2图的斜率为n1，的计算值为-0.0428。所以有p=P2 =9.5198510-5 m3/molR2 =lim x20R 2=2.364810-5 m3/mol=90kBt(P2 - R2 ) NA=6.244010-30C . m=1.87D考虑到在实验中，我们用高频代替中频，但事实上，p原子占p形变的5%-15%。考虑到这部分影响，那么的值应该在1.82-1.86之间。根据循环伏安法，乙酸乙酯在25下的分子偶极矩等于1.78，实验值与文献值的相对误差为2.2%-4.5%。这个实验值可以说是比较准确的，因为实验值和其他方面的密度测量引起了误差。此外，在P2-R2项中，由于两个方程的后半部分基本相同，数据被重新计算以查看这部分是否可以在计算中忽略。忽略这一部分后(同时忽略P原子的影响)，=1.87，与不忽略时的结果一致。这表明这一部分在计算中确实可以忽略。结论3.1溶液制备中的问题在该试验中，当通过称重法制备具有一定摩尔分数的乙酸乙酯溶液时，采用测量定量体积然后精确称重的方法。与直接称量质量相比，这种方法执行体积测量步骤。但是，由于实验中使用的试剂(乙酸乙酯和环己烷)具有很高的挥发性，并且质量必须在一定范围内，因此在直接称重和配置后需要缓慢滴加，这很容易导致质量称重不准确。相反，上述测量方法虽然步骤复杂，但质量称量更准确，因为体积在测量后立即直接转移到容量瓶中进行称量，并且试剂的挥发量相对较小。3.2密度测定中的误差实验中，密度瓶法用于密度测量，密度瓶的体积用水精确标定。然而，由于实验试剂的挥发性远大于水，毛细管端口位于密度瓶的上方，在样