溶液法测定偶极矩.docx

溶液法测定极性分子偶极矩实验报告
一、实验目的

1. 测定乙酸乙酯在四氯化碳中的介电常数和偶极矩，了解偶极矩与分子电性质的关系。
2. 测定某些化合物的折光率和密度，求算化合物、基团和原子的摩尔折光度，判断化合物的分子结构。

二、实验原理

分子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的。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μ来度量，其定义为
μ＝qd（1）
式中：q为正、负电荷中心所带的电荷量，单位是C；d是正、负电荷中心的距离，单位是m。μ是偶极矩，单位是(SI制)库[仑]米(C·m)。而过去习惯使用的单位是德拜(D)：
1D =1×10-18静电单位·厘米＝3.338×10-30C·m
在不存在外电场时，非极性分子虽因振动，正负电荷中心可能发生相对位移而产生瞬时偶极矩，但宏观统计平均的结果，实验测得的偶极矩为零。极性分子具有永久偶极矩，由于分子热的运动，偶极矩在空间各个方向的取向几率均等，统计值等于零。若将极性分子置于均匀的外电场中，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。极化的程度用摩尔极化度P来度量。分子因转向而极化的程度用摩尔转向极化度P转向来表示，因变形而极化的程度用摩尔变形极化度P变形来表示。而P变形又由P电子 (电子极化度)和P原子 (原子极化度)两部分组成，于是有
P ＝P转向＋P变形＝P转向＋（P电子＋P原子）（2）
P转向与永久偶极矩的平方μ2的值成正比，与热力学温度T成反比：（3）
式中:NA为阿佛加德罗(Avogadro)常数；k为玻耳兹曼(Boltzmann)常数。
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原子，(2)式可写成:
P ＝P转向 ＋ P电子（4）
只要在低频电场(υ＜1010s-1)或静电场中,测得的是P。在中频电场(υ＝1012~1014s-1) (红外频率)时，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，故P转向=0，P ＝P变形＝P电子＋P原子。在高频电场（υ≈1015s-1）(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，所以测得的是P电子。此时电子极化度可以用摩尔折射度R代替。 （5）
因此，分别在低频和中频电场下测出分子的摩尔极化度，两者相减即可得到P转向，再由(3)式计算μ。
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。
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，此时分子的摩尔极化度就可视为(5)的P。
在稀溶液当中，溶液的摩尔极化度P可用下式求出：
（1-溶剂，2-溶质，x-摩尔分数）（6）

将(5)式代入(6)得

式中：sol代表溶液，ε1，M1，ρ1分别是溶剂的相对介电常数、摩尔质量和密度。M2为 溶质摩尔质量。
为了省去溶液密度的测量，经Guggenheim和Smith的简化与改进，得到如下公式：

d1为溶剂的密度。
分子的偶极矩可按下式计算：

式中，P∞2和R∞2分别表示无限稀时极性分子的摩尔极化度和摩尔折射度(习惯上用摩尔折射度表示折射法测定的P电子)；T是热力学温度。

三、仪器与试剂

1、仪器
阿贝折光仪，电容测试仪，电容池，电吹风，吸量管。
2、试剂
氯化碳，乙酸乙酯

四、实验步骤

1、标准溶液的配制
准确6组配制含乙酸乙酯的四氯化碳溶液，其质量分数为0.01~0.05

2、介电常数的测定
介电常数ε可通过测量电容来求算
ε ＝ C/C0
式中，C0为电容器在真空时的电容；C为充满待测液时的电容，由于空气的电容非常接近于C0，故(11)式改写成
ε＝C/C空
由于整个测试系统存在分布电容，所以实测的电容C′是样品电容C和分布电容Cd之和，即
C′＝C ＋Cd
显然，为了求C首先就要确定Cd值，方法是：先测定无样品时空气的电空C′空，则有
C′空 ＝C空 ＋ Cd
再测定一已知介电常数(ε标)的标准物质的电容C′标，则有
C′标 ＝ C标＋Cd＝ε标C空 ＋ Cd
可得：
将Cd代入即可求得C溶和C空。这样就可计算待测液的介电常数。
3、测定折光率
在室温条件下用阿贝折光仪测定环己烷及各配制溶液的折光率.测定时注意各样品需加样三次,每次读取四个数据,然后取平均值.
4、测定样品的电容和折光率
电容值读取3组，折光率与之前测量方法相同。
五、数据记录与处理
（1）
折光率对浓度标准曲线
乙酸乙酯（mL）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
四氯化碳（mL）
5
4.9
4.8
4.7
4.6
4.5
质量分数W
0
0.011393
0.022988
0.034791
0.046806
0.05904
折射率n
1.4589
1.4562
1.4557
1.4542
1.4521
1.4491
n2
2.128243
2.120373
2.119004
2.114698
2.108682
2.099978

（2）计算电容C0和C分
室温为19.5℃，则环己烷介电常数ε=2.0238
电容校准（pF）

空气
环己烷
1
4.65
7.24
2
4.64
7.22
3
4.64
7.22
平均
4.64
7.23
带入，计算的Cd=2.12PF,C0=2.52pF
（3）由样品折光率计算样品质量组成
将测得的折光率求平均后平方，带入之前做出的标准曲线，即可得到样品的质量分数

J1
J2
J3
J4
J5
n1
1.4534
1.4563
1.3798
1.3822
1.4188
n2
1.4534
1.4562
1.3797
1.3823
1.419
n3
1.4534
1.4563
1.3798
1.3821
1.4188
n4
1.4533
1.4564
1.3798
1.3822
1.419
n
1.4534
1.4563
1.3798
1.3822
1.4189
n2
2.112299
2.12081
1.903779
1.910477
2.013277
W
0.035627
0.016192
0.511809
0.496513
0.261756
（4）计算样品介电常数，做ε-W图

J1
J2
J3
J4
J5
C1′(pF)
8.51
8.01
16.55
15.23
12.21
C2′(pF)
8.51
8.01
16.56
15.22
12.22
C3′(pF)
8.5
8
16.55
15.23
12.22
C′(pF)
8.507
8.007
16.553
15.227
12.217
C(pF)
6.386613
5.886613
14.43328
13.10661
10.09661
ε
(图中保留四位)
2.531076
2.332922
5.720048
5.194277
4.001385

（5）计算偶极矩
利用公式
其中αs=6.3421,αn=-0.4379,ε1=2.2792
求的μ=1.72×10-18静电单位∙厘米=1.72D
六、注意事项

1、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。装样品的滴瓶也要随时盖严。
2、注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以免损坏。
3、使用密度管进水口是无小球的一端，不能颠倒。
4、重复测定时，要倾去原溶液，电容池干燥后再测定。

七、思考题

1、偶极矩是如何定义的？
分子可近似看成由电子云与分子骨架（包括原子核与内层电子）组成。非极性分子的正负电荷中心是重合的，而极性分子的正负电荷中心是分离的，其分离程度的大小于分子的极性大小有关，可用“偶极矩”这一物理量来描述。以q代表正负电荷中心所带的电荷量，d代表正负电荷之间的距离，则分子的偶极矩：μ=q·d μ为矢量，其方向规定为从正电荷中心到负电荷中心。

2、试分析本实验中误差的主要来源，如何改进？
在测定溶液的折光率时发现，不同浓度的溶液的折光率几乎不发生变化，这导致了读数上的偏差。由于过于接近，数据稍有偏差就会造成大的影响。所以最后n1-x2图拟合程度并不是很好。建议采用多次读数，或采用更精确的仪器来测定折光率。
上学期使用过的密度管再次成为实验误差的罪魁祸首，由于1滴水造成的影响就有0.05g，而密度管就在这个数量级上操作。由于难于把握密度管中的水的流动，造成密度管称量的不精确。这是实验误差的主要来源，建议弃用密度管。换其他测密度的仪器。
本实验没有采用25度恒温操作，读数是在室温下读数，而测电容确实是恒温箱中的温度。所以这里面的温度差导致了实验误差，建议将两者温度统一。
使用电容池时，由于不方便拔下电容池的两极，故无法容易的将电容池两级间空隙处的溶液抽干，也无法用电吹风吹干，只能用纸巾去擦干，这过程会实验结果造成偏差。

八、结果与讨论

本次测得氯仿分子的偶极矩为1.13D，与文献值1.11～1.22D相对照，发现本次实验应该是取得了圆满的成功。但介于上述讨论的误差分析，可能实验结果也是由于错进错出才比较精确。若能消除一些误差来源，相信实验将会更加精确。
另外由于三氯甲烷有毒性，具有麻醉作用，对心、肝、肾有损害。所以实验时一定要格外小心，避免碰触液体，吸入蒸汽。最好在通风橱进行操作，同时要佩戴防护眼镜和面具。