溶液法测定极性分子的偶极矩实验报告
2012级有机化学实验设计性实验报告
题目:溶液法测定极性分子的偶极矩
报告作者: 专业名称: 行政班级:2012化学教育三班
学生学号: 指导老师: 实验时间: 提交时间:
一、实验目的
1.用溶液法测定正丁醇的偶极矩 2.了解偶极矩与分子电性质的关系 3.掌握溶液法测定偶极矩的实验技术
二、实验原理 1.偶极矩与极化度
(1)两个大小相等方向相反的电荷体系的偶极矩定义为,度量分子极性的大小。
①
式中,q是正负电荷中心所带的电量;d为正负电荷中心之间的距离;μ是一个矢量,其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为10-10m,电荷的数量级为10-20C,所以偶极矩的数量级是10-30C·m。 (2)极化程度可用摩尔定向极化度P定向来衡量: P定向=4/3πNA*μ02/(3kT)=4/9πNA*μ02/(kT) ②
极性分子具有永久偶极矩,但由于分子的热运动,偶极矩指向某个方向的机会均等。所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场E中,则偶极矩在电场的作用下,趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度Pμ来衡量。Pμ与永久偶极矩μ的平方成正比,与绝对温度T成反比。
(3)极性分子所产生的摩尔极化度P是摩尔定向极化度、摩尔电子诱导极化度和摩尔原子诱导极化度的总和:
P=P定向+P诱导=P定向+P电子+P原子 ③ 2.摩尔极化度的计算
2. 摩尔极化度的计算
克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数 ε 之间的关系式。
P
ε-1M
ε+2ρ ④
→
式中,M为被测物质的摩尔质量;ρ 为该物质的密度;ε 是介电常数。 但式⑥是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的气相体系,对某种物质甚至根本无法获得气相状态。因袭后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的基本想法是,在无限稀释的非极性溶剂中,溶质分子所处的状态和气相时相近,于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是式⑥中的P。
在稀溶液中,若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象,溶剂和溶质的摩尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。因此,式④可以写成:
P1,2
ε1,MxM2x22-111x11x22
ε1,+2ρ21,2
⑤
式中,下标1表示溶剂;下标2表示溶质;x1表示溶剂的摩尔分数;x2表示
1表示溶剂的摩尔极化度;2表示溶质的摩尔极化度。 溶质的摩尔分数;对于稀溶液,可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同,则
1P1
ε1-1M1
ε1+2ρ1 ⑥
P2-x1P2x11
21,1,
x2x2
⑦
Hedestrand 首先推导出经验公式,指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为
因此
ε1,2ε1ax2 ⑧
ρ1,2ρ1bx2
⑨
ε11M1ε1ax21M1x1M2x2
x1εax2ρ1bx2ε12ρ112
limPlimP2x202x20x2
3aε1M1ε11M2bM1
2
ρ1ε12ρ1ε12
⑩
做ε1,2-x2图,根据式⑤由直线测得斜率a,截距ε1;作ρ1,2 -x2图,并根据式 由 ⑨直线测得斜率b,截距ρ1,代入式⑩得
P
2
三、由折光度计算电子极化度Pe
电子极化度可以使用摩尔折光度R代替,即
PR
e
2
n1M2bM16n1M1c
limR21222x20ρ1n12n12ρ1 ⑪
22
根据测量的溶液折射率n1,2作图n1.2-x2,由斜率求出c,就可以按照式计算出Pe 。
四、介电常数的测定
介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质,电容器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变,那么充电解质
的电容器两板间电势差就会减少。设C0为极板间处于真空时的电容量,C为充以电解质时的电容量,则C与C0的比值ε称为该电解质的介电常数:
C
⑫ C0
法拉第在1837年就解释了这一现象,认为这是由于电解质在电场中极化而引起的。极化作用形成一个反向电场,因而抵消了一部分外加电场。
测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法,后两者为测定介电常数所常用,抗干扰性能好,精度高,但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所测得的电容C'样品包括了样品的电容C样品和电容池的分布电容Cx两部分,即
C样品Cx ⑬ C样品
对于给定的电容池,必须先测出其分布电容 Cx。可以先测出以空气为介质的电容,记为C'空 ,再用一种已知介电常数的标准物质,测得其电容C'标 。
C空CxC空
CCCx标标又因为
C标C标
C0C空可得
C空C标
CxC空 ⑭
标1
C空C标
⑮
标1
C0
计算出 Cx 、C0 之后,根据式⑥和式⑮可得样品的介电常数:
CxC溶
溶 ⑯
C0
五、偶极矩的计算
通过上述步骤分别计算出P2 、R2之后,根据式②可得:
9kP2R2T
μ0.12P2R2T
4πNA
⑰
3.偶极矩的测定方法(溶液法测定偶极矩)
原理:在无限稀释的非极性溶剂中,溶质分子所处的状态和气相时相近,于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是公式式中的P。 (1)无限稀释时溶质的摩尔极化度的公式:
P=P2∞=3αε1/(ε1+2)2 * Μ1/ρ1 + (ε1-1)/(ε1+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1 (2)习惯上用溶质的摩尔折射度R2表示高频区测得的摩尔极化度,因为此时P定向=0,P原子=0,推导出无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式: P电子=R2∞=n2-1/(n12+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1+6n12Μ1γ/[(n12+2)2*ρ1] (3) 近似公式: ε
溶
=ε1(1+α* x2)
ρ溶=ρ1(1+β*x2) n溶=n1(1-γ*x2) (4) 永久偶极矩的获得
考虑到摩尔原子诱导极化度通常只有摩尔电子极化度的5%-15%,而且P定向又比P
原子
大得多,故常常忽略P原子,可得P定向=P2∞-R2∞=4/9πNA*μ02/(kT)
μ0=0.0128*[(P2∞-R2∞)*T]1/2 (5)介电常数的测定:用空气与一已知介电常数ε
空
溶
的标准物质分别测得电容C/
,C/标
C/空=C空+Cd= C0+Cd C/标=C标+Cd
则通过上两式可求得C0=(C/标-C/空)/(ε
标
标
-1) Cd=C/空-C0=C/空-(C/标-C/空)/(ε
-1)
溶
ε
= C溶/ C0=(C/溶- Cd)/ C0
三、仪器和试剂
1、仪器:阿贝折光仪1台,编号14UC1089;电容测量仪一台;电容池一台;电子天平一台;电吹风一只;25ml容量瓶4支;5ml、1ml移液管各一支;滴管5只;吸耳球一个;
2、试剂:正丁醇(分析纯);环己烷(分析纯);蒸馏水;自来水
四、实验步骤
1.读取当天实验室的温度 2.溶液的配制
将4个干燥的容量瓶编号,称量并记录空瓶质量。在空瓶内分别加入1ml,2ml,3ml,4ml的正丁醇在称重。然后加环己烷至刻度,称重。操作时应防止溶质、溶剂的挥发以及吸收性较大的水汽。为此,溶液配好后应迅速盖上瓶塞,并置于干燥器中。记录数据。 3.折光率的测定
用阿贝折射计测定自来水、环己烷及配制溶液的折射率,注意测定时各样品需要加样两次,读取数据,计算时取平均值。 4.介电常数的测定
本实验采用环己烷作为标准物质,其介电常数的温度公式为:
环2.0230.0016(t20)
式中,t为温度,℃。
打开电容测量仪,待读数稳定后,记录空气的电容值。分别测量空气、纯环己烷和配制的4个样品溶液的电容,记录测量的数据。每个样品测量两次,计算时取平均值。测量一个样品后,需用滤纸把残留样品吸干,才能继续性测量。 5.清洗、整理仪器
上述实验步骤完成后,确认实验数据的合理性。确认完毕,将剩余溶液回收,容量瓶、比重管、针筒洗净、吹干。整理实验台,仪器恢复实验前的摆放。
六、数据记录和处理 (一)数据记录
1. 实验室当天气温27.3℃ 2. 溶液的配制
3. 折光率的测定
3.
介电常数的测定 (二)数据处理
1、实验试剂各物质的摩尔质量 M1环己烷C6H12:84
M2乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88 2、折光率计算
①表一数据结果
溶液摩尔分数x的计算
表二折光率实验数据
表三溶质摩尔分数x的计算
②折射率n1.2和摩尔溶液分数x的工作曲线
由图像分析可知:斜率为c=-0.0692 截距为1.4217
相关系数为 0.9965 3、介电常数的计算
①环境温度27.3℃ 空气电容 3.6(PF) ②表一电容数据
③环己烷介电常数
环2.0230.0016(t20) ε=2.01132
Cx=1.28
C0= 2.32
③各溶液的介电常数
④介电常数ε-x2图像
由图像分析可知;直线的斜率a=3.3842 截距是2.112 相关系数是0.966
④密度ρ-x2
⑤密度ρ-x2曲线
由图像分析可知:直线的斜率是b=0.0853
截距是0.7694
相关系数是0.9797
根据公式
P23a1M111M2bM12(12)1121
P2求得 =166.8058
⑤曲线相关数据记录1
根据公式 n11M2bM16n12M1cPeRlimR2222x20(n2)1n1211 22
求得Pe=21.0126
⑥曲线相关数据记录2
根据公式
9k(P2R2)T0.0128(P2R2)T4NA
⑦计算偶极矩
求得=2.6783
六、分析讨论
1.分析本实验误差的主要来源,如何改进?
答:(1)溶液的配制:移液管使用过程中量取溶液并不十分精确,会导致溶液配置的时候X2的值与要求值有一定的偏差。所以,在移液的过程中要保证移液管使
用操作迅速准确。
(2)折光率的测定:折光率的线性还比较好,测量中除了取样,试剂瓶盖子应随时盖好.以免样品挥发影响溶液浓度。而且样品滴加要均匀,用量不能太少,以免测量不准确。
(3)介电常数的测定:仪器不是很稳定,而且并未用移液管移取1mL,而是用每种溶液的专用滴管吸取50滴,滴管的构造不一样,也导致了移取的样品量不一致,这是造成介电常数与浓度关系的线性很差的两个原因。应该用同一个移液管准确移取,且每次都要用丙酮洗净用待测液润洗,而且在重新装样前,为了证实电容池电极间的残余液确已除净,须先测量空气的电容值,待空气的电容值恢复到测量之前,或者在±0.05pF的误差范围内,方可进行下一次测量。
(4)溶液密度的测定:因为电子天平非常灵敏,当有电吹风在吹或稍有动静时,读数就变得很厉害,两次测量的数据都会很不一样,所以每个样品测了两次,取了比较合理的数据。减小误差的方法是确保每次装样品前比重管都要洗净吹干(内外管壁都是),溶液要装满比重管,且外壁不能沾溶液,测量的环境要尽可能安静。
八、参考文献
[1] 何广平等编著. 物理化学实验. 北京:化学工业出版社,2008.
[2] 傅献霞,沈文霞等编. 物理化学. 第4版. 北京:高等教育出版社,1990.
[3] 曾平,蓝庭钊,陈联群等.溶液法测定偶极矩实验的改进[J].内江师范学院学报,2007,22(4):71-73,125.DOI:10.3969/j.issn.1671-1785.2007.04.021.