偶极矩的测定用小电容测量仪测偶极矩(带思考题目解析)

1、用小电容测量仪测偶极矩【实验目的】1. 掌握溶液法测定偶极矩的原理、方法和计算。2. 熟悉小电容仪、折射仪的使用。3. 用溶液法测定正丁醇的偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。【实验原理】1. 偶极矩与极化度分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子,后者称为极性分子，分子极性大小用偶极矩谏度量，其定义为(1)式中，g为正、负电荷中心所带的电荷量;d是正、负电荷中心间的距离。偶极矩的SI单位是库米（Cm）。而过去习惯使用的单位是德拜（D）, 1D=3.338 X1O-30Cm。P来度量。P是转向极化度（P转向）、电子极若将极性分子置于均匀的外电场中

2、，分子将沿电场方向转动，同时还会发生电子云对分子骨架的相对 移动和分子骨架的变形，称为极化。极化的程度用摩尔极化度 化度（P电子）和原子极化度（P原子）之和,P = P转向+ P电子+ P原子 其中, 式中，Na为阿佛加德罗（Avogadro）常数;K为玻耳兹曼（Boltzmann）常数;T为热力学温度。P原子，（2）式可写成由于P原子在P中所占的比例很小，所以在不很精确的测量中可以忽略P = P转向+ P电子只要在低频电场（xIOIOs -1）或静电场中测得 P;在v1015s-1的高频电场（紫外可见光）中，由于极性分子的转向和分子骨架变形跟不上电场的变化，故P转向=0 , P原子=0 ,所

3、以测得的是 P电子。这样由（4）式可求得P转向，再由式计算a通过测定偶极矩，可以了解分子中电子云的分布和分子对称性，判断几何异构体和分子的立体结构。2. 溶液法测定偶极矩所谓溶液法就是将极性待测物溶于非极性溶剂中进行测定，然后外推到无限稀释。因为在无限稀的溶偶极矩可按下式计算：（习惯上用摩尔折射度表示折射法液中，极性溶质分子所处的状态与它在气相时十分相近，此时分子的式中，PE和R2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度测定的P电子）；T是热力学温度。本实验是将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶液,然后在低频电场中测量溶液的介电常数和溶液(9)的密度求得P匕;在可见光下测定溶液的R匕，

4、然后由（5）式计算正丁醇的偶极矩。（1）极化度的测定无限稀时，溶质的 摩尔极化度P匕的公式为P2lim P2X2 03 1 M1 1 1 M 2 M1 (1 2)2 石 2 2 d_式中,&1、P1、M 1分别是溶剂的介电常数、密度和相对分子质量,其中密度的单位是g cm-3 ;M 2 为溶质的相对分子质量a和卩为常数，可通过稀溶液的近似公式求得P密=型（1 +感）(8)式中，諮和P溶分别是溶液的介电常数和密度 ；X2是溶质的摩尔分数。无限稀释时，溶质的摩尔折射度RP的公式为式中，ni为溶剂的折射率 Y为常数，可由稀溶液的近似公式求得(10)式中，n溶是溶液的折射率。其中a、丫分别根据

5、£2 X2、n12 X2作图求出。本实验中，取3=0(2) 介电常数的测定介电常数是通过测定电容，计算而得到。按定义C(11 )C0其中Co是以真空为介质的电容，C是充以介电常数为£的介质时的电容。实验上通常以空气为介质时的电容为Co，因为空气相对于真空的介电常数为1.0006，与真空作介质的情况相差甚微。由于小电容测量仪测定电容时，除电容池两极间的电容C0外，整个测试系统中还有分布电容Cd的存在，即(12 )Cx/ = C x + C d其中，Cx/为实验所测值，Cx为真实的电容。对于同一台仪器和同一电容池，在相同的实验条件下，Cd基本上是定值，故可用一已知介电常数的标准

6、物质进行校正，以求得Cd。£环己烷=2.023-0.0016*(t-20 ) 本实验采用电桥法。校正方法如下:(13)C 空/= C 空 + C d(14)酥=C标/ C空(C空6)(15 )(16)故 Cd=( £标 C 空/- C 标/ ) / (£标-1 )将Cd代入(13)和(14)式即可求得 C溶和C空。这样就可计算待测液的介电常数。【仪器药品】小电容测量仪1台;阿贝折射仪1台;吸耳球1只;滴瓶6只;滴管6只,2ml移液管6只。环己烷(AR);正丁醇摩尔分数分别为0.04 , 0.06 , 0.08 , 0.10和0.12的五种正丁醇一环己烷溶液。【实验

7、步骤】1.折射率的测定(Y)(1 )用阿贝折射仪分别测定环己烷和五份溶液的折射率，并记录测量温度。测量两次，取平均值。(2)由=珂卩+比)公式，以(n溶/n1)X2作图，从直线的斜率求丫 2.电容的测定 (a)(1)将电容测量仪通电，预热20min。(2)将电容仪与电容池连接线先接一根(只接电容仪，不接电容池)，调节零电位器使数字表头指示为(3) 将两根连接线都与电容池接好，此时数字表头上所示值既为C空值。(4) 用2mL移液管移取2mL环己烷加入到电容池中，盖好，数字表头上所示值既为由£环己烷=2.283-0.00190(t-20 )算出实验温度时环己烷的介电常数£标，C

8、空/ =C空+ C d求得C空(5)用滴管将环己烷吸入回收瓶中，用吸耳球将样品室吹干后再测C'空值，与前面所测的C'空值应小于代入公式Cd=(£标C 空/ - C标/) /(£标-1 )求得 Cd ;代入公式2mL待测溶液，同样方法测定五0.02pF，否则表明样品室有残液，应继续吹干，然后依次用移液管移取份溶液的C'溶。(6)由公式可知C溶二C溶/- Cd ,£溶二C溶/ C空由甩=£1(1+弧)以(£溶 / £ )X2作图，从其斜率求出a3. 结束实验，切断电源，仪器复原。【数据处理】室温:17.2-19.6

9、°C气压：101.81k Pa公式环己烷密度公式 dt ds 10 3 (t ts)10 6 (t ts)210 9 (t ts)3ds适用温度0.79707-0.8879-0.9721.55065n 19=n t+0.00045*(T-19)（n19 : 19 °C 时，物质的折射率）i环己烷 =2.023-0.0016( t-20)C 溶/=C 溶 + CdCd =(£标 C 空/- C 标/ ) /(£标-1 )1.将所测数据列表。原始数据折射率的测定 （Y）电容的测定(a)T=19.0°C序号折射率折射率正丁醇摩(n溶温度(n溶温度尔分

10、数X21)T1/ °C2)T2/ °CC 空/ /pFC '溶 1 /pFC'溶 2 /pF00（环己烷）1.428011.751.427211.876.91(C'标)6.91 ( C 标)10.041.426311.781.425811.877.077.0720.061.425711.781.425211.897.167.1530.081.424911.81.424611.897.277.2740.101.424311.81.424011.897.397.3950.121.423511.81.423211.894.427.557.532.数据处理（

11、1 ） 作（n19溶/n1）X2图，由直线斜率求 值。可知 =-0.02427以第1组数据说明数据处理过程:折射率的测定（丫）序号正丁醇摩折射率温度折射率温度尔分数X2(n 溶 1)T1/ °C(n 溶 2)T2/ °C1O.O41.426311.781.425811.87由公式 n 19= n t+0.00045*(T-19)（n19 : 19 °C 时，物质的折射率）可知:n19 溶 仁n T+O.OOO45*(T-19)= 1.4263+0.00045*(11.78-19)= 1.423051 n19 溶 2=n T+O.OOO45*(T-19)= 1.42

12、58+0.00045*(11.87-19)= 1.4225915 n19 溶=(n19 溶 1+ n 19 溶 2)12= 1.422821重复上述步骤，对每组数据进行处理:折射率的测定 （Y值的计算序号正丁醇摩折射率温度折射率温度平均折射率(n19 溶/n1 )尔分数X2(n 溶 1)T1/ °C(n 溶 2)T2/ °C(n19 溶)001.424365（环己烷）1.428011.751.427211.87(n1)11O.O41.426311.781.425811.871.4228210.99891620.061.425711.781.425211.891.422226

13、0.99849830.081.424911.81.424611.891.421530.9980140.101.424311.81.424011.891.420930.99758950.121.423511.81.423211.891.420130.997027作（n19溶/n1）X2图由直线斜率求值，可知=-0.02427（2 ）作仁溶/ £1 ）X2图，由直线斜率求值。可知a=1.05614 。以第0组数据说明数据处理过程:电容的测定 （a）T=19.0 °C序号正丁醇摩尔分数X2C 空/pFC'溶 1 /pFC溶 2 /pF00.044.426.916.91由公

14、式可知:£标=£环己烷=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 标/)Cd= (£标 C 空/- C 标/ ) /(£标-1 )(2.0246*4.42-6.91)/(2.0246-1)=1.989783C 溶二 C 溶/ - Cd = 6.91-1.989783=4.920217C 空二 C 空/ - Cd = 4.42-1.989783=2.430217(=£1 )£溶=C 溶/ C 空= 4.9

15、20217/2.430217=2.0246重复上述步骤，对每组数据进行处理:序号012345电容的测定正丁醇(a)摩尔分数X200.040.060.080.10.12T=19.0 °CC 空/ /pF4.42C '溶 /pF6.917.077.167.277.397.53C '溶2 /pF6.917.077.157.277.397.53a值的计算平均C 溶pF6.91(C'标)7.077.1557.277.397.53Cd /pF1.9897835.08025.16525.28025.40025.5402C 溶/pF4.9202171717171717C 空/

16、pF2.430217作(£溶/ £12.09042.12542.17272.22212.2797£溶2.0246(£1)38143513211.03251.04971.07311.09751.1260(£ 溶/ £1 )11995685711X2图X 2由直线斜率求a值，可知a=1.05614由公式可知:环己烷密度公式 dt ds 10 3 (t ts)10 6 (t ts)210 9 (t ts)3ds适用温度0.79707-0.8879-0.9721.55065故 T=19.0C时,环己烷密度p1=0.79707+10-3* (-

17、0.8879)* (19-0 ) +10 -6* (-0.972 ) * (19-0 ) 2+10 9*1.55 * (19-0 )=0.78 gem -1且由(1)(2)可知n1 =1.424365,£1=2.0246,a =1.05614,3=0 ,= -0.02427, M1=84, M2=74 代入公式可得:P2UmP2M111石22M 2 M13 1.056142.0246842.0246 12(2.02462)20.782.0246 2740.78=66.80308421.4243651741.42436522 0.78皆显詈+6 1.424365 840.024271.

18、4243652 2 2 0.78=22.2667(4)求算正丁醇的由公式可知：0.042610 30/pR2 T0.042610 30 J 66.803084 22.2667 J 273.15 19.0=4.86*10 -30 C m【注意事项】1. 每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测C空，与原来的C空值相差应小于0.02PF o2. 测C'溶时，操作应迅速，池盖要盖紧，防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽，影响测定值。故操作要迅速，试剂和溶液应随时盖紧，溶液应透明不发生浑浊。3 .每次装入量严格相同，样品过多会腐蚀密封材料渗入恒温腔，实验无法正常进行。4.注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以免损坏。【思考问题】1.本实验测定偶极矩时做了哪些近似处理负电荷中心(1 )分子结构近似地看成是由电子云和分子骨架原子核及内层电子所构成，并认为正、的距离是d。(2)由于P原子在P中所占的比例很小，在不很精确的测量中可以忽略P原子，认为P = P转向+ P电实验上通常以空气(3) 因为空气相对于真空的介电常数为1.0006，与真空作介质的情况相差甚微,为介质时的电容 C空