稀溶液法测定偶极矩实验报告汇总

1结构化学实验报告题目：稀溶液法测定偶极矩报告作者：学号：班级：指导老师：实验时间：2016年11月21日2稀溶液法测定偶极矩一、【实验目的】1.掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术2.了解偶极矩与分子电性质的关系3.测定乙酸乙酯的偶极矩二、【实验原理】1．偶极矩与极化度分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核及内层电子）所构成。由于空间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为极性分子。1912年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义式为qd→μ①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。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，可以用来鉴别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。kT9μπN4PAμ②式中，k为波兹曼常数；NA为阿弗加德罗常数；T为热力学温度；μ为分子的永久偶极矩。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，分子骨架也会发生形变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度P诱导来衡量。显然，P诱导可分为两项，即电子极化度Pe和原子极化度Pa，因此P诱导=Pe+Pa③如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。当处于频率小于1010HZ的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度P是转向极化、电子极化和原子极化的总和。P=Pμ+Pe+Pa④如何从测得的摩尔极化度P中分别出Pμ的贡献呢？介电常数实际上是在107HZ一下的频率测定的，测得的极化度为Pμ+Pe+Pa。若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有Pe和Pa的贡献了。所以从按介电常数计算的P中减去红外线频率范围测得的极化，就等于Pμ，在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽略，则在可见光范围：3Pμ=P-(Pe+Pa)≈P-Pe⑤2.摩尔极化度的计算摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式为ρM×＋2ε－1εP⑥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。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⑥可以写成：22111,22211212121ρxMxM×＋2ε－1εPxPxP，，，⑦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表示溶质的摩尔分数；1P表示溶剂的摩尔极化度；2P表示溶质的摩尔极化度。对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则1111011ρM×＋2ε－1εPP⑧20112121212－xxPxPxPPP，，⑨Hedestrand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2121axεε，⑩211,2bxρρ⑪因此21111121221121210202ρ2ε1εbxρ2axε1εlimlim22xMxxMxMaxPxxP1121111211ρ2ε1ερ2εε3bMMMa⑫4做ε1，2-x2图，根据式⑦由直线测得斜率a，截距ε1；作ρ1,2-x2图，并根据式⑪由直线测得斜率b，截距ρ1，代入式⑫得P23.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12211211122121202ρ26ρ21lim2ncMnbMMnnRxeRP⑬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⑬计算出Pe。4.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：ε=CC0⑭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=C样品+Cx⑮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=C空+CxC'标=C标+Cx又因为ε标=C标C0≈C标C空可得Cx=C'空－C'标－C'空ε标－1⑯C0=C'标－C'空ε标－1⑰计算出Cx、C0之后，根据式⑥和式⑮可得样品的介电常数：ε溶=C'溶－CxC0⑱5.偶极矩的计算通过上述步骤分别计算出P2、R2之后，根据式②可得：5⑲三、【仪器与试剂】1.仪器电容测量仪、25mL容量瓶，移液管、电子天平、阿贝折射仪、滴管、烧杯、洗耳球、干燥器等。2.试剂乙酸乙酯分析纯环己烷分析纯丙酮分析纯四、【实验步骤】1.溶液配制将四个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。在空瓶内分别加入1.0mL、2.0mL、3.0m、4..0mL的乙酸乙酯再称重。然后加环己烷至刻度线，称重。操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。为此，溶液配好以后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器中。2.折射率的测定用阿贝折射仪测定环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需加样两次，读取数据，计算时取平均值。3.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：ε环=2.023-0.0016(t-20)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。五、【数据处理】1.数据记录表乙酸乙酯C4H9OH,分子量:88环己烷C6H12,分子量:84表一：溶液配制1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml空瓶(g)24.457824.604224.649030.5122空瓶+乙酸乙酯(g)25.353826.382427.331734.0684空瓶+乙酸乙酯+环己烷(g)43.792744.075444.224750.2351溶液中乙酸乙酯质量(g)0.89601.77822.68273.5562溶液中乙酸乙酯尔数(mol)0.01020.02020.03050.0404溶液中环己烷质量(g)18.438917.693016.893016.1667TRPNTRPkA)(0128.04)(922226溶液中环己烷摩尔数(mol)0.21950.21060.20110.1925乙酸乙酯摩尔分数x20.04430.08750.13160.1735溶液质量(g)19.334919.471219.575719.7229溶液密度(g/ml)0.77340.77880.78300.7889表二：折射率测定在28℃时，纯水的理论折射率为1.3322，实验时室温为28.0℃。测得水的折射率为1.3335，即实际测得值比理论值偏高0.0013。以下测量数据已校正：环己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlnI1.42161.41941.41621.41361.4117nII1.42181.41961.41641.41341.4115n平均1.42171.41951.41631.41351.4116表三：电容测定空气电容(PF)：4.4温度（℃）：27.2环己烷1.0ml2.0ml3.0ml4.0mlC1(PF)6.606.957.207.507.75C2(PF)6.606.907.207.407.75C平均(PF)6.606.937.207.457.752.数据处理2.1溶液摩尔分数x的计算1.0ml2.0ml3.0ml4.0ml乙酸乙酯摩尔分数x20.04430.08750.13160.17352.2绘制折射率n1,2和溶液摩尔分数x2的工作曲线，并求出斜率c。n1,2x2环己烷1.42170.00000.5ml1.41950.04431.0ml1.41630.08751.5ml1.41350.13162.0ml1.41160.17357斜率：-0.0603；截距：1.4218；相关系数：0.99422.3计算环己烷的介电常数ε，求出电容池的分布电容Cx。环己烷介电常数：＝2.01148电容池的分布电容=2.22计算溶液的介电常数ε。真空电容量=2.18样品的介电常数求得各溶液的介电常数介电常数εx20.5ml2.1610.04431.0ml2.2870.08751.5ml2.4020.13162.0ml2.5400.17352.4绘制ε-x2工作曲线，由直线测得斜率a，截距ε1。根据最小二乘法求得斜率：2.9008；截距：2.0307；相关系数：0.99811C-'''标空标空CCCx1C''0标空标CC0'CCCx溶溶)20(0016.0023.2环t82.5绘制作ρ1,2-x2工作曲线，由直线测得斜率b，截距ρ1。密度ρ(g/ml)x20.5ml0.77340.04431.0ml0.77880.08751.5ml0.78300.13162.0ml0.78890.1735斜率b=0.1175；截距ρ1=0.7682；相关系数为0.99502.6计算P2，计算Pe。a斜率2.9008b斜率0.1175ε1环己烷介电常数2.0307M1环己烷分子量84ρ1环己烷密度0.7682M2乙酸乙酯分子量88P2=144.9463122112111221212022)2(621limncMnbMMnnRRPxe1121111211221)2(3bMMMaP22,1x22,1x9c斜率-0.0603b斜率0.1175n1环己烷折光率1.4217n122.0212M1环己烷分子量84ρ1环己烷密度0.7682M2乙酸乙酯分子量88eP=20.88212.7计算偶极矩。=2.4702德拜六、【结果与讨论】1.实验测得的以环己烷为溶剂时乙酸乙酯的偶极矩为2.4702德拜，温度为27.2℃，查找文献得，乙酸乙酯在25℃中的偶极矩为1.78德拜。2.实验所测得的三条工作曲线n1,2-x2,ε-x2,ρ1,2-x2的相关系数分别为0.9942，0.9981，0.9950，数据的线性较好。3.环己烷、乙酸乙酯易挥发，配制溶液时动作应迅速，以免影响浓度。4.本实验溶液中防止含有水分，所配制溶液的器具需干燥，溶液应透明不发生浑浊七、【思考题】1.实验误差主要来源①本实验所用试剂均易挥发.操作时容易因此而导致测量过程中溶液浓度的改变。如由于加样动作不够迅速,瓶塞塞不紧等都易造成较大的误差。②实验理论上，各种近似处理使实验本身就存在误差。例如由于非极性溶剂与极性溶质分子