1、稀溶液法測定偶極矩【實驗目的】(1)掌握溶液法測定偶極矩的主要實驗技術。(2) 了解偶極矩與分子電性質的關系。(3)測定正丁醇的偶極矩。【實驗原理】(1)偶極矩與極化度分子結構可以近似地看成是由電子云和分子骨架 (原子核及內層電子)所構成。由于空間構 型的不同，其正負電荷中心可以是重合的，也可以不重合。前者稱為非極性分子，后者稱為極 性分子。bb圖1電偶極矩示意圖1912年德拜提出“偶極矩”其定義是/圖2極性分子在電場作用下的定向的概念來度量分子極性的大小，如圖1所示,q d 式中，q是正負電荷中心所帶的電量；d為正負電荷中心之間的距離； 是一個向量，其 方向規定為從正到負。因分子中原子間的距

2、離的數量級為 10-10m,電荷的數量級為1020C,所 以偶極矩的數量級是10-30C - m。通過偶極矩的測定，可以了解分子結構中有關電子云的分布和分子的對稱性，可以用來鑒別幾何異構體和分子的立體結構等。極性分子具有永久偶極矩，但由于分子的熱運動，偶極矩指向某個方向的機會均等。 所以 偶極矩的統計值等于零。若將極性分子置于均勻的電場E中，則偶極矩在電場的作用下，如圖2所示趨向電場方向排列。這時我們稱這些分子被極化了。極化的程度可用摩爾轉向極化度P”來衡量。P”與永久偶極矩的小的平方成正比，與絕對溫度 T成反比。p 4兀瓜一“ 9kT式中：k為玻茲曼常數，N A為阿伏加德羅常數。在外電場作用

3、下，不論極性分子或非極性分子，都會發生電子云對分子骨架的相對移動， 分子骨架也會發生形變。這稱為誘導極化或變形極化。用摩爾誘導極化度P誘導來衡量。顯然P誘導可分為二項，即電子極化度 Pe和原子極化度Pa,因此P 誘導= Pe+Pa如果外電場是交變場，極性分子的極化情況則與交變場的頻率有關。當處于頻率小于 1010Hz的低頻電場或靜電場中，極性分子所產生的摩爾極化度 P是轉向極化、電子極化和原子 極化的總和。P = P盧 Pe+Pa如何從測得的摩爾極化度P中分別出Pu的貢獻呢？介電常數實際上是在107Hz以下的頻 率測定的，測得的極化度為 P此Pe+Pa。若把頻率提高到紅外范圍(約1011101

4、4 HZ),分子 已經來不及轉向，此時測得的極化度只有 Pe和Pa的貢獻了。所以從按介電常數計算的 P中減 去紅外線頻率范圍測得的極化，就等于 P”，在實驗上，若把頻率提高到可見光范圍，則原子 極化也可以忽略，則在可見光范圍：Pg =P -( Pe + Pa) -P Pe(2)摩爾極化度的計算克勞休斯、莫索和德拜從電磁場理論得到了摩爾極化度 P與介電常數e之間的關系式。p=xM 42 p式中，M為被測物質的摩爾質量；p為該物質的密度；e是介電常數。但式是假定分子與分子間沒有相互作用而推導得到的。 所以它只適用于溫度不大低的氣 相體系，對某種物質甚至根本無法獲得氣相狀態。因此后來就提出了用一種溶

5、液來解決這一困 難。溶液法的基本想法是，在無限稀釋的非極性溶液中，溶質分子所處的狀態和氣相時相近， 于是無限稀釋溶液中的溶質的摩爾極化度就可以看作是式中的P。在稀溶液中，若不考慮極性分子間相互作用和溶劑化現象，溶劑和溶質的摩爾極化度等物 理量可以被認為是具有可加性。因此，式可以寫成:Pl。,2一 1 VM 1x1 M 2x2-T X xlPlx2 P20,2十 2P1,2式中，下標1表示溶劑；下標2表示溶質；X1表示溶劑的摩爾分數；X2表示溶質的摩爾分 數；P1表示溶劑的摩爾極化度；P2表示溶質的摩爾極化度。對于稀溶液，可以假設溶液中溶劑的性質與純溶劑相同，則0PP1M1XP1pP1,2- X

6、1 PP20P1,2 X1 P1X2X2Hedestrand首先推導出經驗公式,指出在稀溶液中溶液的介電常數和密度可以表示為4,2aX2P1,2P1bX2因此日 aX21 M1X1M2X2P2X2m0心limX2 0& aX2 2p1 bX2向1 M1X17X23a %向2 2M2 bM1P1根據式由直線測得斜率a,截距1；作巾2 -X2圖，并根據式 由直線測得斜率b,截距p,代入式得P2(3)由折光度計算電子極化度Pe電子極化度可以使用摩爾折光度 R代替，即式中，n為物質的折射率；M為物質的摩爾質量；p為密度。同樣在稀溶液中:n1,2=n1+cx2PeR2X2m0R22n11 M 2 bMi

7、-2-ni 2Pi26n M iC2niPe 。根據測量的溶液折射率ni,2作圖ni.2-X2,由斜率求出c,就可以按照式計算出(4)介電常數的測定介電常數是通過測定電容計算而得的。 如果在電容器的兩個板間充以某種電解質，電容器的電容量就會增大。如果維持極板上的電荷量不變，那么充電解質的電容器兩板間電勢差就會 減少。設Co為極板間處于真空時的電容量，C為充以電解質時的電容量，則 C與Co的比值 稱為該電解質的介電常數：C?& = Co?法拉第在i837年就解釋了這一現象，認為這是由于電解質在電場中極化而引起的。極化 作用形成一個反向電場，因而抵消了一部分外加電場。測定電容的方法一般有電橋法、拍

8、頻法和諧振法，后兩者為測定介電常數所常用， 抗干擾 性能好，精度高，但儀器價格昂貴。本實驗中采用電橋法。實際所測得的電容 C樣品包括了樣品 的電容C樣品和電容池的分布電容Cx兩部分，即C樣品=C樣品+ Cx?對于給定的電容池，必須先測出其分布電容 Cx。可以先測出以空氣為介質的電容，記為C空，再用一種已知介電常數的標準物質，測得其電容C標。又因為可得C空=C空C標=C標Cx = C空+ Cx+ CxC標一C空ss 1計算出Cx、C標一C空Co =-訴一1Co之后，根據式和式？可得樣品的介電常數:C溶一CxCo(5)偶極矩的計算通過上述步驟分別計算出P2、R2之后，根據式可得:9k P2R2 T

9、4兀Na0.128, P2R2 T【儀器與試劑】(1)儀器電容測量儀、25mL容量瓶、移液管、電子天平、阿貝折射儀、滴管、燒杯、洗耳球、干 燥器等。(2)試劑乙酸乙酯分析純環己烷 分析純丙酮分析純【實驗步驟】（1）溶液配制（ME204E）（儀器編號14UC1071）將四個干燥的容量瓶編號，稱量并記錄空瓶重量。在空瓶內分別加入1.0mL、2.0mL、3.0mL 和4.0mL的乙酸乙酯再稱重。然后加環己烷至刻度線，稱重。操作時應注意防止溶質、溶劑 的揮發以及吸收極性較大的水汽。為此，溶液配好以后應迅速蓋上瓶塞。乙酸乙酯C4H9OH,分子量:表1:溶液配制1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶

10、（g）21.315519.839819.497221.4736空瓶+乙酸乙酯（g）22.229921.622322.181325.0385空瓶+乙酸乙酯+環己烷（g）40.620639.230139.034141.0795溶液中乙酸乙酯質量（g）0.91441.78252.68413.5649溶液中乙酸乙酯爾數（mol）0.01040.02030.03050.0405溶液中環己烷質量（g）18.390717.607816.852816.0410溶液中環己烷摩爾數（mol）0.21890.20960.20060.1910乙酸乙酯摩爾分數x20.04530.08810.13200.1750溶液質量

11、（g）19.305119.390319.536919.6059溶液密度（g/ml）0.77220.77560.78150.7842環己烷C6H12,分子量:8884密度 p (g/ml)X20.5ml0.77220.04531.0ml0.77560.08811.5ml0.78150.13202.0ml0.78420.1750密度-摩爾分數曲線摩爾分數=0.0970X + 0.7677 R2 = 0.9826系列1線性（系列1）（2）折射率的測定（儀器編號14UC1087）先用阿貝折射儀測定水的折射率進行校準，再測定環己烷及配制溶液的折射率，注意測定時各樣品需加樣兩次，讀取數據，計算時取平均值。

12、表2:折光率測定實驗數據環己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlni1.42251.41991.41781.41391.4110nii1.42261.42001.41721.41451.4112n平均1.42261.42001.41751.41421.4111由于實驗時實驗室溫度約為28C, 28c下純水的折射率為1.3322,而此時用阿貝折射儀測得水的折射率為1.3331。故校準后得到的樣品折射率為n1,2X2環己烷1.42350.00000.5ml1.42090.04531.0ml1.41840.08811.5ml1.41510.13202.0ml1.41200.1750折射率-摩爾

13、分數曲線摩爾分數=-0.0659x + 1.4238 R2 = 0.996系列1線性(系列1)(3)介電常數的測定(14UC1047)本實驗采用環己烷作為標準物質，具介電常數的溫度公式為：e 環=2.023-0.0016(t-20)式中，t為溫度，C。打開電容測量儀，待讀數穩定后，記錄空氣的電容值。分別測量純環己烷和配制的4個樣 品溶液的電容，記錄測量的數據。每個樣品測量兩次，計算時取平均值。測量一個樣品后，需 用濾紙把殘留樣品吸干，用吹風機吹干樣品池后才能繼續性測量。 注意：用吹風機吹干樣品池 的時候不要用熱風，以防止樣品池溫度發生改變帶來的測量誤差。表2:電容測定實驗數據空氣電容(PF)4

14、.2溫度(C)28.7劃、己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlC1 (PF)6.707.107.307.708.10C2(PF)6.707.207.407.708.10C平均(PF)6.707.157.357.708.10環己烷介電常數： 環 2.023 0.0016(t 20) 2.00908Cx=1.72C0標1Co=2.48根據溶C溶Cx求得各溶液的介電常數Co介電常數X20.5ml2.1910.04531.0ml2.2710.08811.5ml2.4130.13202.0ml2.5740.1750介電常數-摩爾分數曲線數常電介y = 2.9842x + 2.0337R2 = 0

15、.9805系列1線性（系列1）【數據處理】a1,2X2斜率2.9842b1,2X2斜率0.0970cn1,2X2斜率-0.0659n1環己烷折光率1.4235n120.02641環己烷介電常數2.0337M1壞己烷分子量84P環己烷密度0.7677M2乙酸乙酯分子量88P23a 1 M1 (i 2)21 1 M2 bM1149.092622n11 M2 bM16nlM1cPe R2lim R2121 r221.0526x2 0ni2 2i(n2 2)2 i求得乙酸乙酯的偶極矩,9：2 0.0128 (P2 R2 )T 2.5158D【實驗討論與注意事項】1、從偶極矩的數據可以了解分子的對稱性，

16、 判別其幾何異構體和分子的主體結構等問題。 偶極矩一般是通過測定介電常數、密度、折射率和濃度來求算的。對介電常數的測定除電橋法 外，其他還有拍頻法和諧振法等。 對氣體和電導很小的液體以拍頻法為好， 有相當電導的液體 用諧振法較為合適；對于有一定電導但不大的液體用電橋法較為理想。2、溶液法測得的溶質偶極矩和氣相測得的真空值之間存在著偏差，造成這種偏差現象主 要是由于在溶液中存在有溶質分子與溶劑分子以及溶劑分子與溶劑分子間作用的溶劑效應。3 .環己烷、乙酸乙酯易揮發，配制溶液時動作應迅速，以免影響濃度。4 .本實驗溶液中防止含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液應透明不發生渾濁。【思考題】1、準確測定溶質摩爾極化度和摩爾折射度時，為什么要外推至無限稀釋？答：測定