偶极矩的测定教案邱金恒

南京大学化学化工学院物理化学实验教案邱金恒偶极矩的测定一、实验目的：1．了解电容、介电常数的概念，学会测定极性物质在非极性溶剂中的介电常数。2．了解偶极矩测定原理，方法和计算，并了解偶极矩和分子电性质的关系。二、实验原理：1．偶极矩与极化度概念：分子根据其正负电荷中心是否重合可分为极性和非极性分子，分子极性的大小常用偶极矩来衡量：μ=q*d。极性分子具有永久偶极矩，在没有外电场存在时，分子的热运动导致偶极矩各方向机会均等，统计值为0。当分子置于外电场中，分子沿着电场方向作定向转动，电子云相对分子骨架发生相对移动，骨架也会变形，叫做分子极化，极化程度由摩尔极化度（P）衡量。P=P转向+P变形=P转向+（P电子+P原子）其中P转向=4/9*πNμ2/KT（1）对于非极性分子，P转向=0外电场若是交变电场，极性分子的极化与交变电场的频率有关。当交变电场频率小于1010S-1时，极性分子的摩尔极化度为转向极化度和变形极化度的和。若电场频率为1012S-1~1014S-1的中频电场（红外光区），因为电场交变周期小于偶极矩的松弛时间，转向运动跟不上电场变化，故而P转向=0，P=P电子+P原子。若交变电场频率大于1015S-1（可见和紫外光区），连分子骨架运动也不上变化，P=P电子。因为P原子只占P变形的5%到15%，限于实验条件，一般用高频电场代替中频电场，将低频下测的P减去高频下测得的P，就可以得到极性分子的摩尔转向极化度P转向，从而代入（1）就可以算出分子的偶极矩。2．极化度与偶极矩测定：对于分子间作用很小的体系（温度不太低的气相体系），从电磁理论推得摩尔极化度P与介电常数ε的关系为：P=(ε-1)/(ε+2)*M/ρ上式中假定分子间无相互作用，在实验中，我们必须使用外推法来得到理想情况的结果。在溶液中分别测定不同浓度下的溶质的摩尔极化度，作图外推至无限稀释的情况，就可以得出分子无相互作用时的摩尔极化度：P2=limP2=3αε1/(ε1+2)2*M1/ρ1+(ε1-1)/(ε1+2)*(M2-βM1)/ρ1式中ε1、ρ1、M1为溶剂的值，M2为溶质的分子量。式中α、β为常数，由下式给出：ε溶=ε1(1+αX2)ρ溶=ρ1(1+βX2)根据电磁理论，高频电场作用下，透明物质的介电常数ε与折光率n的关系为：ε=n2常用摩尔折射度R2来表示高频区的极化度。此时：R2=P电子=(n2-1)/(n2+2)*M/ρ同样测定不同浓度溶液的摩尔折射度R，作图外推至无限稀释，就可以求出该溶质南京大学化学化工学院物理化学实验教案邱金恒的摩尔折射度。R2=limR2=(n12-1)/(n12+2)*(M2-βM1)/ρ1+6n12M1γ/(n12+2)2ρ1γ为常数，由下式求出：n溶=n1(1+γX2)综上所述，P转向=P2-R2μ=0.0128*[(P2-R2)T]1/2(D)3．介电常数的测定：介电常数是通过测定电容，计算而得到。ε=C/C0由于测定是系统中并非真空，所以测定值为C0和Cd之和。实验时，先测出Cd，在计算出各物质的介电常数。以环己烷为标准物质：ε标=2.052–1.55E-3*T=（C标’-Cd）/（C空’-Cd）利用当天的温度可以求出ε标，从而可以求出Cd，从而算出各溶液的介电常数。ε溶=（C溶’-Cd）/（C空’-Cd）三、实验步骤：1．配制溶液通过计算得出配制摩尔分数为0.05，0.10，0.15，0.20，0.30的溶液25mL所需要的乙酸乙酯的毫升数为1.15，2.30，3.45，4.60，6.90，移液后，准确称量。注意仪器的干燥。2．测定折光率分别室温下测定环己烷和5个溶液的折光率。3．测定密度在干燥密度管中用比重法测定密度，即在相同的体积下，两物质的密度之比正比于其质量比。以当天温度下水的密度作为标准，分别测定5个溶液的密度。4．以环己烷为标准物质，分别测定5个溶液的介电常数。首先记下仪器的C空’，用移液管移取1ml环己烷，注入电容器样品室，然后用滴管逐滴加入样品，至示数稳定后，记下C标’，用注射器抽取样品，用洗耳球吹干，至示数与C空’相差无几（0.02PF）。随后依次测定溶液的C溶’，计算介电常数。四．注意事项1．乙酸乙酯易挥发，所以配制溶液时动作要快。2．本实验溶液中防止有水分，所配制溶液的器具需要干燥，溶液应透明不发生浑浊。3测定折光率前需要对阿贝折光仪进行校正。4．测定电容时，应该防止溶液的挥发及溶液吸收空气中的水分，影响测定值，所以动作也需要快。（结合实验操作讲解）5．电容仪的各部件的连接避免绝缘。6．密度管在使用的时候要将外部擦干，小帽子内也应该保持干燥（结合实验操作讲解）。五、注意事项1．乙酸乙酯易挥发，所以配制溶液时动作要快。南京大学化学化工学院物理化学实验教案邱金恒2．本实验溶液中防止有水分，所配制溶液的器具需要干燥，溶液应透明不发生浑浊。3测定折光率前需要对阿贝折光仪进行校正。4．测定电容时，应该防止溶液的挥发及溶液吸收空气中的水分，影响测定值，所以动作也需要快。（结合实验操作讲解）5．电容仪的各部件的连接避免绝缘。6．密度管在使用的时候要将外部擦干，小帽子内也应该保持干燥（结合实验操作讲解）。六．数据处理：1．计算每个溶液的摩尔分数X2。X2=n1/(n1+n2)m空(g)19.732016.378418.109222.475025.8858m总(g)20.671718.522821.322426.738632.2477m质(g)0.93972.14443.21324.26366.3619n质(mol)0.010660.024340.036470.048390.0722n剂(mol)0.221630.210940.200260.189570.1682X20.045880.103440.154050.203350.300352．以各溶液的折光率，对X2作图，就出γ值。X20.045880.103440.154050.203350.30035n1.42761.42401.42051.41721.4113环己烷n1=1.4304，以上数据均经过校正。图1,折光率与各份溶液的摩尔分数之间的关系从图可得，γ=-0.045743．计算出各溶液的密度ρ，作ρ~X2图，求出β。X20.045880.103440.154050.203350.30035ρ0.752140.762530.773630.78170.802680.050.100.150.200.250.300.9860.9880.9900.9920.9940.9960.998nsol/n1X2南京大学化学化工学院物理化学实验教案邱金恒2，密度与各份溶液的摩尔分数之间的关系从图2中可得，β=0.198314．计算出各溶液的ε，作ε溶~X2图，求出α。X20.045880.103440.154050.203350.30035ε2.191732.376082.540692.715173.074环己烷的ε=2.037图3，各溶液的介电常数与相应的摩尔分数之间的关系从图3中可得，α=1.703755．代入公式求出偶极矩μ。P2=92.18R2=27.28μ=1.73D七．思考题：1．准确测定溶质的摩尔极化度和摩尔折射度时，为何要外推至无限稀释？答：因为公式中是假定分子间没有相互作用，而溶质分子和溶剂分子之间都会有相互作用，所以要推至无限稀释后，得到的情况才能够与气相中的情况相似。0.050.100.150.200.250.301.01.11.21.31.41.51.6esol/e1X20.050.100.150.200.250.300.750.760.770.780.790.800.81psol/p1X2南京大学化学化工学院物理化学实验教案邱金恒2．试分析实验中误差的来源。答：（1）首先从理论上，由于高频电场代替中频电场以及由于外推法的原因，本身就存在误差。（2）配制溶液时，乙酸乙酯易挥发，可能导致浓度误差。（3）测电容的时候，由于要滴加至示数稳定，每次测定的时候可能稳定的标准都会改变，导致误差。（4）测密度的时候，由于每次倾斜的角度问题，可能加入的溶液体积不同，引入误差。（5）此外测定折光率的时候，由于读数的原因引入误差。九．实验讨论及教学体会偶极距的测定是物化实验中操作比较简单的一个，但是它的原理却不简单。理解这个实验必须明白分子的偶极距、分子的极化度及其相关概念，而且还必须了解关于电容、分子之间电磁相互作用一些理论知识。这些知识中有些在物理化学课程中都没有详细讲，所以导致学生在预习的时候，对实验原理往往不太清楚。在讲解实验的时候，适当明晰概念，并且提纲挈领的帮学生理清楚各个物理量之间的关系，利用图形帮助他们理解外推法的原理，使他们从复杂的数学公式中解脱出来，往往效果比较好。从实验结果来看，大部分同学的结果都在正常范围以内，偶尔会出现计算错误。从实验数据的线性关系来看，折光仪使用较为简单，所以只要每份溶液平行测定，折光率的曲线的线性一般较好。介点常数曲线的线性较好，个别数据点有偏差，是因为在测定的时候，电容的数值会随着样品池中样品的增多而增加，然后到达一个平台区。这个时候，学生在把握上有可能在平台区之前，造成读数标准不一样，形成误差。这个现象应该在实验原理中说明，误差就可以避免。密度曲线往往是实验数据中最差的一个，这和同学的密度管操作有关。由于实验中一系列溶液的密度相差不大，所以在测定中密度管里面装的液体体积上稍有偏差，往往就会带来数据上较大的误差，有的数据需要反复测定才能准确，因此，从密度管的操作往往能够看出学生的动手能力强弱，实验前，老师应该多次示范密度管的操作。