偶极矩的测定

1、偶极矩的测定XXX中国科学技术大学材料科学与工程系，合肥联系人Email ：XXX摘要:本实验通过溶液法测定正丁醇偶极矩。通过测定不同浓度正丁醇的环己烷稀溶液的折射率、密度、介电常数，利用外推法得到一系列数据，从而计算得到正丁醇分子的偶极矩。关键词: 偶极矩 溶液法 外推法 正丁醇极性分子 ABSTRACT:In this experiment，we determined the dipole moment of Butanol  by usingsolution method.Wemeasuredthe 

2、;density, dielectric constantand refractive index of Butanol cyclohexane solution. Then we used extrapolation to determine the relative value which help calculate the dipole moment of Butanol. Key word: Dipole momentButanol Solution

3、60;method extrapolation   Polar molecule 前言偶极矩是分子结构的重要参数, 在无机化学、分析化学、有机化学、物理化学中都有涉及。它对判断分子的空间结构, 了解分子中的电荷分布、极性、对称性有重要作用。分子结构可以被看成是由电子和分子骨架所构成。由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩=qr来表示。式中r 是两个电荷中心间距矢量，方向是从正电荷指向负电荷。q为电荷量，一个电子的电荷为4.8×10-10CGSE，而分子中原子核间距为1Å

4、 = 10-8cm的量级，所以偶极矩的量级为： = 4.8×10-10×10-8 = 4.8×10-18 CGSE×cm = 4.8 Debye,即1 Debye = 10-18 CGSE×cm。电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合，电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大这样会使分子产生附加的偶极矩（诱导偶极矩）。这种现象称为分子的变形极化。如将电介质置于交变电场中，则其极化和电场变化的频率有关。交变电场的频率小于1010秒-1时，极性分子的摩尔极化度P中包含了电子原子和取向的贡献。当频率增加到101

5、21014秒-1时，电场的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的取向运动跟不上电场的变化，这时极性分子来不及沿电场取向，故PO = 0。当交变电场的频率进一步增加到大于1015秒-1高频场时，分子的取向和分子骨架的变形都跟不上电场的变化，这时的摩尔极化度称为摩尔折射度R。这样我们用交变频率为1000HZ的交流电桥测出电容池中各浓度下溶液的电容，用此电容除以真空下电容池的电容即得介电常数。用阿贝折射仪测出可见光下各溶液的折射率，再用分析天平测出各溶液的密度，可定出、，而后算出P和R，进而算出分子的永久偶极矩。1实验部分（i）试剂. 正丁醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）环已烷（分析纯，

6、国药集团化学试剂有限公司）（ii）仪器. 2WAJ型阿贝折射仪（上海申光仪器仪表有限公司）PCM-1A型精密电容测量仪（南京南大万和科技有限公司）CP323S型分析天平HK-2A型超级恒温水浴（南京南大万和科技有限公司）容量瓶（25毫升）6只密度仪电吹风一只电容池一只（iii）实验方法.1溶液配制用称量法配制0%、1%、5%、10%和15%（摩尔分数）的环已烷溶液各20毫升（除0%外，其余溶液的浓度只要求精确标出浓度值，其值控制在1%、5%、10%、15%左右）。操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收水汽。为此溶液配好后应迅速盖上瓶盖并置于干燥器中。 2折射率的测定用阿贝折射仪测出溶液的折射

7、率。测定时各样品需加样三次，每次取三个数据，最后取平均值。3介质常数的测定(1)电容池分布电容Cd和真空电容Co的测定因为电容池总是存在着和真空电容Co并联的分布电容Cd，为了从实测溶液的电容中扣除此分布电容的影响，我们必须测出此分布电容。用电吹风将电容池二极间的空隙吹干，旋上金属盖，将恒温槽电源打开，使温度固定在某一实验工作温度，测定其电容Co。测量中要反复交替调节相位平衡旋钮，使表头指针趋于最小，电桥平衡后，读出电容值，重复调节三次，以三次读数的平均值。再用针筒吸取纯环已烷加入电容池，使液面超过二电极表面。恒温数分钟后如上述步骤测定电容值。然后打开金属盖，用针筒吸取二极间的环已烷，重新装入

8、样品，再次测定电容值，取二次平均值为C环。(2)加溶液电容的测定测定方法同于纯环已烷。重复测定时，要去掉电极间的溶液，还要用电吹风将二极间的空隙吹干，然后再加入该浓度溶液，恒温数分钟，测出电容值。两次测定数的差值应小于0.05PF，否则要重新测量。测得的电容减去Cd后才是该溶液对应的电容值。4溶液密度的测定用密度仪直接测量五组样品的的密度，测量顺序正丁醇浓度从低到高。每测完一组，读取数据。用蠕动泵抽空管中样品，再吸入新样品，进行测量。每组样品只测一次。2结果与分析2.1实验结果实验测得的正丁醇偶极矩大小为1.54 Debye，参考值为1.66Debye，相对误差为7.23%。2.2误差分析实验

9、结果出现误差的主要原因可能有：1.介电常数的测定：测定介电常数的仪器稳定性较差，测量时经常出现轻微触动导线，数据大幅跳动的情况。并在我的最后一组数据的测量过程中，呈现出单调递减的趋势，测了6、7组才在误差范围内。一开始以为是溶液挥发了，最后拟合直线后发现密度和介电常数的结果都比较好，怀疑是仪器本身的问题。 2.溶质的挥发：由于正丁醇和环己烷都极易挥发，而在实验中很难避免不与空气接触，所以就会导致浓度的改变。3.折光率的测定：折光率与摩尔分数线性拟合较好，但是由于样品极易挥发，测量时就会出现刚滴加完，大部分样品就会挥发掉的情况。可能会对测定产生影响。4.密度的测定：密度与摩尔分数的拟合，前两组数

10、据呈现一致的情况，造成误差，后几组数据拟合程度好，疑似挥发造成误差。5.体系的控制温度与实际温度存在差异造成误差。2.3实验小结本实验的所有数据质量，密度，电容，折光率测定都由机器完成，人为误差对结果的影响比较小，7.23%的误差个人认为在于挥发误差和仪器误差比如介电常数的测定仪器PCM-1A型精密电容测量仪，跳数现象严重，示数不稳定，我的主要误差项应该就在于此。关于如何减少挥发误差，只能通过加快实验操作的速度，并且做完实验立即关上塞子；关于仪器误差，也只能等仪器稳定下来在进行测定。此外，本实验不仅教会了我们溶液法测定偶极矩的方法，并且教会了我们很多重要仪器的使用方法。3思考1测量中为什么溶液

11、的浓度不能太高（如20%）？答：平行板电容器内的分子受到四种力的作用，当溶液浓度较低时可以忽略。但是当浓度增大时，这些力的作用不能忽略。参考资料1R. J. W.，Lefevre. and H. Vine，J. Chem. Sce.，1805，（1977）2Alex Bomilla，J. Chem. Educ.，2，130，（1977）3孙承谔，化学通报，5，（1957）4Le Fevre，“Dipole Moments”，（1954）5J. W. Wilson， Experiments in Physical Chemistry，（1962）附数据处理部分1溶液的配制与密度测定锥形瓶编号12

12、345环己烷质量/g-15.20415.19515.63715.69正丁醇质量/g-0.430.8211.5572.399摩尔分数02.8285.4039.95715.290溶液密度/gcm-30.76910.76910.76950.77030.7710溶X2关系图由上图得斜率=0.01351环=0.7689 = 斜率 / 环=0.01351/0.7689=0.017572折光率的测定测得纯水的折光率为：1.3321。查表的水26.6下的折光率为1.3324，因此校准因子为1.3321-1.3324=-0.0003数据如下测定次数溶液摩尔分数/%(ml)0（0）2.8285.4039.9571

13、5.29011.42111.41991.41911.41741.416221.42111.41981.41921.41721.416331.42111.41981.41911.41731.4163平均值1.42111.41981.41911.41731.4163校正后的值1.42141.42011.41941.41761.4166n溶X2关系图由上图得：n环=1.42113 = 斜率 / n环=-0.03154/1.423113=-0.022193介电常数测定C/pF空气溶液摩尔分数/%(ml)0（0）2.8285.4039.95715.290第一次3.915.675.85.8866.21第二

14、次3.915.75.775.926.026.23平均值3.915.6855.7855.96.016.22t=30.00环 = C环 / Co = 2.0230.0016 ( t20 ) =2.187C 环 = C环 + Cd C o = Co + Cd代入C 环 =6.94pF C o =4.26pF 解方程得到Co =1.495pF C环=3.270pF Cd= 2.415pF由溶=（C溶- Cd）/ C0 ，得下表摩尔分数浓度01.859%4.491%9.015%13.266%C溶5.6855.7855.96.016.22溶2.1872.2542.3312.4052.545溶X2关系图由图可得斜率=2.2883环=2.1913 = 斜率 /环=2.2883/2.1913=1.04434计算P和R=3*1.0443*2.1913*84.16/（2.1913+2）2）*0.7689）+