测定极性分子的偶极矩.doc

测定极性分子的偶极矩.doc aa溶液法测定极性分子的偶极矩 一、实验目的 1(掌握溶液法测定偶极矩的原理和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，并掌握仪器的使用方法; 2(测定乙酸乙酯在非极性溶剂(环己烷)中的介电常数和分子偶极矩; 3(初步培养学生数据处理能力。 二、预习要求 1. 了解偶极矩，极化度的概念; 2. 熟练操作阿贝折光仪和介电常数测试仪; 3. 掌握介电常数测试仪得到的是不是实际电容值; 4. 密度的测定方法。 三、基本原理 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。 图1 电偶极矩示意图 1912年，德拜(Debye)提出“偶极矩μ”的概念来度量分子极性的大小，如图1所示，其定义是 (1) ,,q,d 式中q是正、负电荷中心所带的电荷量，d为正、负电荷中心之间的距离， ,10μ是一个向量，其方向规定从正到负。因分子中原子间距离的数量级为 10 ,20,30m，电荷的数量级为 C，所以偶极矩的数量级是 C?m。 1010 通过偶极矩的测定可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称性等情况，还可以用来判断几何异构体和分子的立体结构等。 极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向各个方向的机会相同，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中，则偶极矩在电场的作用下会趋向电场方向排列。这时我们称这些分子被极化 了，极化的程度可用摩尔转向极化度来衡量。 P转向 与永久偶极矩平方成正比，与热力学温度T成反比P转向 22 44,, PLL,,,,,转向 33kT9kT (2)式中k为玻耳兹曼常数，L为阿伏加德罗常数。 在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子都会发生电子云对分子骨架的相对移动，分子骨架也会发生变形，这种现象称为诱导极化或变形极化，用摩尔诱导极化度来衡量。显然，可分为二项，即电子极化度，PPP诱导诱导电子和原子极化度，因此= + 。与外电场强度成正比，与PPPPP原子诱导电子原子诱导 温度无关。 如果外电场是交变电场，极性分子的极化情况则与交变电场的频率有关。 ,10-1当处于频率小于 s的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化10 度P是转向极化、电子极化和原子极化的总和 P= + + PPP电子原子转向 (3) ,12,14-1当频率增加到, s的中频(红外频率)时，电场的交变周期小于1010 分子偶极矩的弛豫时间，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场定向，故= 0。此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导P转向 ,15-1极化度。当交变电场的频率进一步增加到大于 s的高频(可见光和P10诱导 紫外频率)时，极性分子的转向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化，此时极性分子的摩尔极化度等于电子极化度。 P电子 因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P，在红外 频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度，两者相减得到极性分子的摩尔P诱导 转向极化度，然后代人(2)式就可算出极性分子的永久偶极矩μ。 P转向 2、极化度的测定 克劳修斯、莫索蒂和德拜(Clausius,Mosotti,Debye)从电磁理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式 ,,1M P,, (4) ,,，2 式中，M为被测物质的摩尔质量，ρ是该物质的密度，ε可以通过实验测定。 但(4)式是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的，所以它只适用于温度不太低的气相体系。然而测定气相的介电常数和密度，在实验上困难较大，某些物质甚至根本无法使其处于稳定的气相状态。因此后来提出了一种溶液法来解决这一困难。溶液法的基本想法是在无限稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩 ,尔极化度就可以看作为(4)式中的P。 P2 海德斯特兰(Hedestran)首先利用稀溶液的近似公式 ，，,,,1，,x12溶 (5) ，，,,,1，,x12溶 (6) 再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度的公式 31,,,,MMM,,,11121PPP,,,,，,lim2220,x (7) 2，2,,,，2,，，1111 上述(5)、(6)、(7)式中，、是溶液的介电常数和密度，、,,M2溶溶 是溶质的摩尔质量和摩尔分数，、和分别是溶剂的介电常数、密度x,,M1121 和摩尔质量，、在是分别与,和,直线斜率有关的常数。 ,,x,x,22溶溶 上面已经提到，在红外频率的电场下可以测得极性分子的摩尔诱导极化度 = +。但在实验上由于条件的限制，很难做到这一点，所以一般PPP诱导电子原子 总是在高频电场下测定极性分子的电子极化度。 P电子 根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常 2数与折光率n的关系为 ,,,n(8) 习惯上用摩尔折射度R来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示高频区测得的极化度，因为此时=0，P2转向 =0，则 P电子 2 n,1M ,2 R == P2电子,n，2(9) 在稀溶液情况下也存在近似公式 ，，n,n1，,x12溶 (10) 同样，从(9)式可以推导得无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式 22,M,M,n,16nM21,111P,R,limR,,，2222电子 20x,2,n，2，，n，2,1111 (11) 上述(10)、(11)式中，是溶液的折光率，n是溶剂的折光率，γ是n1溶 与,直线斜率有关的常数。 nx2溶 3、偶极矩的测定 考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5,10%，而且又比大PP电子转向得多，故常常忽视原子极化度。 从(2)、(3)、(7)和(11)式可得 24,,,PRL,,,,P 转向22 9kT(12) 上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电常数、密度和折光率联系起来，分子的永久偶极矩就可用下面简化式计算 ,30,, ，，,,0.04274，10P,RTC,m22 (13) ,在某种情况下，若需要考虑影响时，只需对作部分修正就行了。 PR2电子 上述测求极性分子偶极矩的方法称为溶液法。 溶液法测得的溶质偶极矩与气相测得的真实值间存在偏差。造成这种现象的原因是非极性溶剂与极性溶质分子相互间的作用—“溶剂化”作用，这种偏差现象称为溶液法测量偶极矩的“溶剂效应”。罗斯(Ross)和萨克(Sack)等人曾对溶剂效应开展了研究，并推导出校正公式，有兴趣的读者可阅读有关参考 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 。 4、介电常数的测定 介电常数是通过测量电容计算而得到的。本实验采用电桥法来测量电容。 电容池两极间真空时和充满某物质时电容分别为C和Cx，则某物质的介0 ,C电常数与电容的关系为 , ,xx ,, ,C00(14) 式中,和分别为真空和该物质的电容率。 ,0x 当将电容池插在小电容测量仪上测量电容时，实际测量所得的电容应是电容池两极间的电容和整个测试系统中的分布电容C并联构成。C是一个恒dd定值，称为仪器的本底值，在测量时应予扣除，否则会引进误差，因此必须先求出本底值C，并在以后的各次测量中予以扣除(扣除方法见七，注意事d 项)。 四、仪器及试剂 仪器:ZJ-3J精密介电常数测量仪，超级恒温水浴，电吹风，ZWA折光率仪，容量瓶(25 ml 4只)，滴管5支，烧杯(50 ml)4只，比重瓶(4只)。 试剂:环己烷(A.R)，乙酸乙酯(A.R)。 五、操作步骤 1(配制溶液:以乙酸乙酯为溶质，配制摩尔分数约为0.05、0.10、0.15和0.2的乙酸乙酯—环己烷溶液各25 ml，分别盛于容量瓶中。溶液配好后应立即塞紧，贴好标签，注明浓度。 2(介电常数的测定: (1)C的测定:以环己烷为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 物质，其介电常数的温度关系式为 d -3 , = 2.053 , 1.55，10t 式中t为测定时的温度 用电吹风将电容池样品室吹干，并将电容池与电容测定仪连接，在量程选择健全部弹起的状态下，开启电容测定仪工作电源，预热用调零旋钮调零后测，即为C,。 空 用移液管量取4 ml环己烷注入电容池样品室，至数显稳定后，记录下C, 。然后倒掉样品，再吹干至数显的数字与C,的值相差无几，否则需再吹。 环己烷空 (2) 按上述方法分别测定各浓度溶液的C,，每次测C,后均需复测C,，以溶溶空检验样品室是否残留样品。 3(密度的测定:依次称取贴上标签的4只干燥的比重瓶，装蒸馏水至刻度再称重。由两次称重之差及同温度下水的密度算出对应比重瓶的实际体积。倾去此4只比重瓶中的水，干燥后再称重，然后分别将4份实验溶液置于这4只比重瓶中并称重。由各比重瓶中溶液的质量除以相应容量瓶的实际体积，可得各溶液密度。 o4(折光率的测定:在25?0.1 C条件下，用阿贝折光仪测定环己烷的折光率。测定时，加样3次，每次读三个数据，取其平均值。 按照同样的方法测定其它四份溶液。 【注】实验步骤2，3，4不分先后顺序。 六、数据处理 1(记录实验时的平均室温、平均气压和恒温浴的温度。 2(将实验数据列表记录。 3(计算c，c，c，求出各溶液的ε，作ε,x图，由直线斜率求算,。 溶溶0d2 4(作,,x图，由直线斜率求算,。 溶2 5(作n,x图，由直线斜率求算,。 溶2 ??6(用式(7)计算出P值，用式(11)计算出R值。 22 7(式(13)计算乙酸乙酯的偶极矩(μ)，并与文献值比较。 七、注意事项 1. 配制溶液时，容量瓶必须干燥。且注意是称重配置。操作时注意防止溶液的挥发和吸收极性较大的水气。 2. 测量电容时，注意样品不可多加，否则会腐蚀密封材料。 3. 实际测量的电容值不是真正的电容值，必须减去C(电容池本底值)。 dC的求解方法: d C,=C+C (1)环己烷环己烷d C,=C+C (2) 空空d (1) , (2) 得:C,,C,=C,C (3) 环己烷空环己烷空 ,,CCC,环己烷环己烷空 得 代人(3)得 CC,,,C,,,环环己烷环己烷空空,1C,空环己烷 ,,CC,环己烷空C= C,,C= C, 空空空,d,1,环己烷 4. 每次测量前都要测量一下空气的电容值，如果与第一次不一致，继续用电吹风吹去残余气体，直至显示数值与测量空气电容值一致。 八、思考题 1(介电常数的测定除电桥法外，还有什么方法? 2. 实验中引起误差的因素有哪些,应该着重注意哪些操作, 九、常见问题分析 1. 在测量空气电容时，由于节点接触不好，使显示的数值很小。 2. 测量下一个溶液时，由于上次溶液的蒸气没有完全赶净而导致测量产生误差。 3. 用折光率仪时，要用数滴丙酮淋洗镜面并用镜头纸擦干。折光仪用完后用同样方法处理后，再测下一个样品。 十、实验延伸 (一)研究型 正丁醇-环己烷体系 (二)其它方法 测定偶极矩的实验方法还有多种，如温度法、分子束法、分子光谱法，折光率法以及利用微波谱的斯塔克法等。 溶液法只适用于能在较大温度范围内测定介电常数ε和密度,的体系。 测量电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法。后两者抗干扰性能好、精确度高，但仪器价格较贵。 十一、仪器使用说明 介电常数测量仪 1. 开启电容测定仪工作电源，仪器预热10 min; 2. 在与电容池断开情况下，按下“采零”键; 3. 将电容池与电容测定仪连接，在量程选择健全部弹起的状态下，待数 ,显稳定后记下，即为C。