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1、偶极矩的测定摘要:本实验利用溶液法测定正丁醇的偶极矩,首先将正丁醇溶于非极性的环己烷中形成稀溶 液,然后通过测量溶液的介电常数和溶液的密度求得P%再测定溶液的折射率求得R%然后计 算正丁醇的偶极矩。关键词:正丁醇、偶极矩、介电常数、折射率实验部分:1、实验原理C 1)偶极矩与极化度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来 表示。两个大小相等符号相反的电荷系统的电偶极矩的定义为f =q r(1)式中飞 是两个电荷中心间距矢量,方向是从正电荷指向负电荷。若将极性分子置于均匀的外
2、电场中,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。极化的程度用总摩尔极化度P来度量:P= P + P = P + P + P(2)式中P、P、P分别为摩尔电子极化度,摩尔原子极化度和摩尔取向极化度。 E A O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。当交变电场的频率增加到大于1015秒高频场(可见光和紫外)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 P = 0、P = 0、P = P。这时 8OA射度Rn2, n为介质的折射率,这时的摩尔极化度称为摩尔折因为P只有P的10%左右,一般可以略去,或按P10%修正。AEE由
3、 Clausius-Mosotti-Debye 方程8 - 1 M 4 兀 N口2 )8 + 2 p 3 E A 3 KT右, 9K/ 1有口 = ()2(P - P - P )2 T 2(5)0略去PA由(4)(5)式可得:,9 K / z / 1口 = ()2( P - R )2 T 2(6)4兀N0r = 0.0128 *(P R)T(7)由计算E内忽略了分子间相互作用项,故用无限稀的P、R-计算口,r = 0.0128 (P 8 R 8 )T(8)所以我们在实验中要测不同浓度下的P、R,再用外推法求P8和R”。对于由溶剂1和溶剂2组成的溶液体系,根据Hedestrand ( Z. Ph
4、ys. Cnem. , 2438 ( 1929 )的理论,其介电常数、折射率、摩尔极化度以及密度均和浓度成线性关系,即: = (1 + a X )n = n (1 + y X )P = P1 (1+0 X2) p = x p1 + x p 2式中X、X分别为溶剂和溶质的摩尔分数,1 、2 P、P、n; 、p、P、n ;121111(9)(10)(11)(12)、p、P、nY为常数。由此分别为溶液、溶剂和溶质的介质常数、密度、摩尔极化度和折射率,a、0、 可得:=lim P =2X 20(13)=lim R =2X 2 0n2 - 1 M - P M 6 n2 M rn2 + 2 p(n2 +
5、2 )2 piiii(14)3 as1(s 1 + 2 )2PCM-1A型精密电容测量仪一台HK-2A超级恒温水浴一台 容量瓶(25毫升)6只 比重瓶1只试剂:正丁醇(分析纯)环已烷(分析纯)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代入(9) - (12)式,可定出a、0、Y,再代入(13)、(14 )式算出P”和R 七 再由式算出分子的永久偶极矩。2、仪器和药品仪器:阿贝折射仪一台 分析天平一台 电容池1只 电吹风一只3、实验步骤首先打开仪器预
6、热,将恒温水浴的温度设定为30C (水浴连接到阿贝折射仪和电容池),然 后进行以下实验:(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(加入正丁醇 的量分别为0、0.5、1.0、2.0、3.0毫升,除0%外,其余溶液的浓度只要求精确标出浓度值)。(2 )折射率的测定用阿贝折射仪测出溶液的折射率。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
7、二极间的空隙吹干,盖上金属盖,测定其电容如。取三次读数的平均值。 用移液管定量吸取纯环已烷2.0mL加入电容池,恒温数分钟后如上述步骤测定电容值。再次 测定电容值,取二次平均值为C环。由于Cd总是并联于电容池,所以有(15)(16)(17) = C / Co = 2.023 - 0.0016 ( t-20 ) CC 环 + Cd C, = C + Cd式中t为(C), (15)式为环已烷的介电常数随温度变化的公式,解上述方程组,可得Co、Cd。 加溶液电容的测定测定方法同于纯环已烷。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
8、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。溶液密度的测定用比重瓶在分析天平上分别称得瓶重W,加液后的质量W,和加水后的W,按012(18)计算溶液的密度P溶。式中P水(t )为在工作温度下的密度,可由表中查出。4、注意事项(1) 配制溶液时应注意防止溶质、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。(2 )每次测定电容前必须用电吹风将二极间的空隙吹干。(3) 每次测定电容时溶液的装入量应严格相同。(4) 测量中要避免比重瓶中气泡的产生,等测完所有溶液的密度后,才加水测量W2。结果与讨论:(1、实验结果计算得到的各常数的值为:a =
9、1.30233 P = 0.018026 y =-0.01737Ps = 76.287R s = 22 .537正丁醇的偶极矩为:p = 1.63 (D)、分析和讨论:本实验相对误差仅为1.81%,实验结果十分准确,说明本实验所用的测量偶极矩的方法还是 比较精确和合理的。实验的误差来源主要有以下几个方面:1、实验理论上,各种近似处理使实验本身就存在误差。比如:(1) 计算内时忽略了各分子间的相互作用F ;(2) 由于摩尔原子极化度P所占的比例很小4所以在计算中将其忽略了;(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,所以实验 中以空气为介质时的电容C空作为C;
10、(4 )以无限稀释溶液体系近似于分子间无相互作用的气相体系。2、本实验所用试剂都是易挥发的液体,在称量和测量过程中难免会挥发,还可能会吸收空气中的水汽,这些都会对测量结果产生一定的影响。尤其在测量溶液密度时,由于比重瓶不是 密封的,在称量时溶液不断挥发,导致示数一直在变化,很难准确称量,所以密度的数据可能 误差较大,从图2可看出p -X曲线的拟合度不是很好,且其中一组数据明显有问题,应该正 是这个原因。溶23、仪器本身也存在一定的误差。、思考题:1、测量中为什么溶液的浓度不能太高(如20% )?答:计算摩尔极化度和摩尔折射度的公式,只适用于分子间无相互作用、温度不太低的气 相体系。而用溶液法进
11、行测定时,在溶液中存在有溶质分子与溶剂分子以及溶剂分子与溶剂分 子间作用的溶剂效应,若溶液浓度太高,溶剂效应就会很强。所以测量时浓度不能太高,这样 在推至无限稀释后,溶质分子所处的状态才能够与气相中的情况相似,可以通过公式求算各数 据。参考文献:【1】R. J. W.,Lefevre. and H. Vine,J. Chem. Sce.,1805,( 1977)【2】Alex Bomilla,J. Chem. Educ.,2,130,( 1977)【3】孙承谔,化学通报,5,( 1957)【4】Le Fevre, “Dipole Moments”,( 1954)【5】J. W. Wilson,
12、 Experiments in Physical Chemistry, ( 1962)Determination of Dipole MomentAbstract: This experiment using solution method for normal butanol dipole moment. The normal butyl alcohol soluble in nonpolar cyclohexane formed in dilute solution, and then through the measurement solution of dielectric const
13、ant and the density of solution for P*, then test solution refractive index for R* , then calculate normal butanol dipole moment.Key words: normal butanol, dipole moment, dielectric constant, refractive index附件:实验数据处理1.各溶液的摩尔分数浓度查得:正丁醇的摩尔质量为74.12g/mol,环己烷为84.16g/mol,再根据以上数据计算各溶液的摩尔分数浓度乂必(x =可正丁醇m2):
14、22W正丁旷 /74.12 + W环己烷 /84.16环己烷质量/g正丁醇质量/g摩尔分数浓度1号(加0mL正丁醇)002号(加0.5mL正丁醇)15.1680.3460.025253号(加1.0mL正丁醇)14.9280.7210.051994号(加2.0mL正丁醇)14.3521.5360.108355号(加3.0mL正丁醇)14.2232.2960.154902.由折射率计算Y值1号2号3号4号5号摩尔分数浓度00.025250.051990.108350.15490平均折射率1.42201.42071.42041.41951.4177用平均折射率对摩尔分数浓度作图得到n-X2曲线如下图
15、所示:Equationy= s+bWeigftNo WfeiirtingRamidisl Sum of Squads4.80118E7Aij. R-Sqi0reD.937D7StmdM BrorBHere ept1.421742.80572 E4Slope-0.0247DD03171.4220 = 0.017371 .4191 .4183.计算溶液密度和P值记瓶重为W,加液后的质量为W,加水后的为W,用分析天平可直接测量出溶液净重W-W和水 01210的净重W-W,再由公式p = w 1 W0 p (t)可计算出各溶液密度,测量数据以及计算结果列于2 0溶 w w 水下表:(水的净重W2-W0
16、=10. 282g,查得30C下水的密度为P水(30C) =0.9956g/ml)201号2号水3号4号5号摩尔分数浓度00.025250.051990.108350.15490(W1-W0) /g7.9527.9497.9627.9687.975P溶(g/ml )0.769990.769700.770960.771540.77221观察上表中的数据,可看出第2号的数据不合理,故处理时忽略该组数据。 用溶液密度对摩尔分数浓度作图得到P溶-%曲线如下图所示:p溶(g/ml)=0.018026可得此拟合直线斜率为0.01388,可计算出?明:由斜率唯2、= 0.旃88 90.769994. 计算C
17、o、Cd、e溶和a值测得的真空电容为cf = 4.523 (PF ),溶剂环己烷的电容为C = 6.605 (PF )0环根据公式可计算出30C下环己烷的介电常数为: = 2.023 - 0.006 (t - 20) = 2.023 - 0.006 x (30 - 20) = 1.963再由方程组e6.605 - 4.5251.963 - 1=2.1599 (PF )cd = c0 - c0 = 4.525 - 2.1599 = 2.3651 (PF )测得的电容减去Cd后才是该溶液对应的电容值,故各溶液的实际电容值如下表:1号2号3号4号5号测量电容c (PF)溶6.6056.7306.83
18、57.1157.465电容c (PF)溶4.23994.36494.46994.78995.0999&宓1.96302.02092.06952.21762.3612ri-iX 00.025250.051990.108350.15490用介电常数对摩尔分数浓度作图得到e溶-%曲线如下图所示:-0.020.000.020.040.060.080.1 00.1 2可得此拟合直线斜率为2.国648,可计算出a为:a =斜率0.140.16/ 8 环=2.55648/1.9630 = 1.302335.计算P、R和偶数矩hP = 0.018026=-0.01737计算得到的各常数的值为:a 7 3023
19、3a 溶剂的介质常数、密度和折射率数值分别为:81 = 1.96300.76999 ,n = 1.4220溶剂和溶质的分子量分别为:M=84.16, M=74.121将a、0、P1、A代入式P s = Pslim P23a8 1(81 + 2)28181虬计算出P8为:3 x 1.302331.963084.161.963074.12 0.018026x 84.1676.287(1.96302)20.769991.9630+20.76999将0、Y、/代入式R s = Rslim R2n2 - 11n 12 + 2计算出为:(n2 + 2 )2 p.1.4220 2 1 74.12 0.01802684.16 +6 x 1.4220 2 x 84.16 x (0.01737 ) =22 .5371.4220 20.76999(1.4220 2 + 2)2 x 0.76999再由公式H =0.0128 V( P s - R s )T计算出正丁醇的偶极矩为:r = 0.0128 x, (76.287 - 22.537 ) x (273 .15 + 30) = 1.63(D)通过查阅资料得到正丁醇的偶极矩标准值为1.66D,故本实验的相对误差为:1.66 - 1.63x 100 % = 1.81 %