实验12 正丁醇偶极矩的测定

正丁醇偶极矩的测定摘要：当分子中正、负电荷中心不重合时，分子就会具有极性，分子极性的大小用偶极矩μ来度量，偶极矩的大小与无限稀溶液的摩尔极化度和摩尔折光率有关。本实验将通过溶液法测定正丁醇的偶极矩，即通过测量正丁醇—环己烷稀溶液折射率、介电常数、溶液密度等随浓度的变化，求得正丁醇固有偶极矩的大小。关键词：偶极矩正丁醇极化稀溶液法MeasurementonDipoleMomentofn-ButanolAbstract:Moleculeiscalledpolaronewhilethecentersofpositiveandnegativechargedonotcoincide.Dipolemomentsisthemeasureofmolecularpolarity,whichisrelatedtomolarpolarizationandmolarrefractivityofinfinitelydilutesolution.Intheexperiment,weresearchtherelationshipbetweentheconcentrationofn-butylalcohol—cyclohexaneandtherefractivity,dielectricconstant,anddensity,toobtainthedipolemomentofn-butylalcohol.Keywords:DipoleMomentn-ButanolPolarizationDiluteSolutionMethod1.前言分子中正负电荷中心不重合，从整个分子来看，电荷的分布是不均匀的，不对称的，这样的分子为极性分子，以极性键结合的双原子分子一定为极性分子，极性键结合的多原子分子视结构情况而定如CH4就是非极性分子。键的极性与分子的极性是两个不同的概念，极性键与极性分子间既有联系又有区别。极性分子一定含有极性键，即极性键是形成极性分子的必要条件，也可能含有非极性键。含有极性键的分子不一定是极性分子，即极性分子内不仅含极性键，而且分子结构不对称。若分子中的键全部是非极性的，这样的分子一般是非极性分子。正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩μ=r×q。它是一个矢量，方向规定为从正电中心指向负电中心。偶极矩的单位是D（德拜）。根据讨论的对象不同，偶极矩可以指键偶极矩，也可以是分子偶极矩。分子偶极矩可由键偶极矩经矢量加法后得到。实验测得的偶极矩可以用来判断分子的空间构型。溶液法是实验中较为常用的测定偶极矩的方法。就是将极性待测物溶于非极性溶剂中，测量溶液折射率、介电常数、溶液密度等随浓度的变化，然后外推到无限稀释，从而获得物质的偶极矩。2.实验部分2.1.实验目的1．了解电介质在外电场中的极化现象。2．掌握溶液法测定正丁醇偶极矩的实验和方法。2.2.实验原理1．偶极矩和极化度分子结构可以被看成是由电子和分子骨架所构成。由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩来表示。两个大小相等符号相反的电荷系统的电偶极矩的定义为μ=q·r(1)式中r是两个电荷中心间距矢量，方向是从正电荷指向负电荷。q为电荷量，一个电子的电荷为4.8×1010CGSE，而分子中原子核间距为1Å=108cm的量级，所以偶极矩的量级为：μ=4.8×1010×108=4.8×1018CGSE×cm=4.8Debye即1Debye=1018CGSE×cm电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合，电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大这样会使分子产生附加的偶极矩（诱导偶极矩）。这种现象称为分子的变形极化。可以用平均诱导偶极矩m来表示变形极化的程度。在中等电场下设m=αDE内(2)式中E内为作用于个别分子上的强场。αD为变形极化率，因为变形极化产生于两种因素：分子中电子相对于核的移动和原子核间的微小移动，所以有αD=αE+αA(3)式中αE、αA分别称为电子极化率和原子极化率。设n为单位体积中分子的个数，根据体积极化的定义（单位体积中分子的偶极矩之和）有P=nm=nαDE内(4)为了计算E内，现考虑平行板电容器内介质的电场，平行板电容器内的分子受到四种为的作用：(1)均匀分布于极板上电荷σ所产生的力F1；(2)电介质极化产生的感生电荷σ′产生的力F2；(3)单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力F3；(4)各分子间的相互作用F4；目前还不能用一个公式来表示F4，在忽略F4后，单位正电荷所受的力的和即为E内E内=E1+E2+E3=4πσ+4πP+PEP3434(5)式中σ为极板表面电荷密度。在平行板电容器内，在电量为定值的条件下：ε=C/C0=E0/E(6)式中ε，C分别为电介质的介电常数和电容器的电容、脚标0对应于真空条件下的数值，因为E=4πσ-4πσ′=E0-4πσ′(7)由(6)式有E0=εE(8)由(7)(8)式可得E41(9)式中σ′为感生面电荷密度。体积极化定义为单位立方体上下表面的电荷（σ′）和间距的积，所以有P=1×σ′=σ′(10)由(9)(10)式有EP41(11)即14pE(12)由(5)(12)式可得E内=34123414ppp(13)由(4)(13)式可得P=nαDE内=1234DnP即D3421n(14)(14)式两边同乘分子量M和同除以介质的密度ρ，并注意到nM/ρ=N0（阿佛加得罗常数），即得D03421NM(15)这就是Clausius-Mosotti方程，定义摩尔变形极化度PD为D0D34NP(16)电场中的分子除了变形极化外，还会产生取向极化，即具有永久偶极矩的分子在电场的作用下，会或多或少地转向电场方向。它对极化率的贡献为PO，总的摩尔极化度为P=PD+PO=PE+PA+PO(17)式中PE、PA、PO分别为摩尔电子极化度，摩尔原子极化度和摩尔取向极化度，由(16)式得：E0E34NP(18)A0A34NP(19)由玻尔兹曼分布定律可得：KTNNP3343420000(20)式中μ为极性分子的永久偶极矩，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度由(15)式可得：KTNM3(34212AE0)(21)此式称为Clausius-Mosotti-Debye方程，即史劳修斯—莫索提—德拜方程。2．极化度的测量如将电介质置于交变电场中，则其极化和电场变化的频率有关。交变电场的频率小于1010秒1时，极性分子的摩尔极化度P中包含了电子原子和取向的贡献。当频率增加到1012－1014秒1时（即红外场），电场的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的取向运动跟不上电场的变化，这时极性分子来不及沿电场取向，故PO=0。当交变电场的频率进一步增加到大于1015秒1高频场（可见光和紫外）时，分子的取向和分子骨架的变形都跟不上电场的变化，这时PO=0、PA=0、P=PE。这时ε=n2，n为介质的折射率，这时的摩尔极化度称为摩尔折射度RMnnRP2122E(22)因为PA只有PE的10%左右，一般可以略去，或按PE10%修正。由(21)式可得：2121AE210)()49(TPPPNK(23)略去PA由(22)(23)式可得：2121210)()49(TRPNK(24)TRP)(0128.0(25)由(25)计算E内忽略了分子间相互作用项F4，故用无限稀的P∞、R∞计算μTRP)(0128.0(26)所以我们在实验中要测不同浓度下的P、R，再用外推法求P∞和R∞。对于由溶剂1和溶剂2组成的溶液体系，根据Hedestrand（Z.Phys.Cnem.，2438（1929））的理论，其介电常数、折射率、摩尔极化度以及密度均和浓度成线性关系，即：ε=ε1(1+αX2)(27)n=n1(1+γX2)(28)ρ=ρ1(1+βX2)(29)P=X1P1+X2P2(30)式中X1、X2分别为溶剂和溶质的摩尔分数，ε、ρ、P、n；ε1、ρ1、P1、n1；ε2、ρ2、P2、n2分别为溶液、溶剂和溶质的介质常数、密度、摩尔极化度和折射率，α、β、γ为常数。由此可得：112111121102221232MMM)(PlimPPX(31)1221121112212102226212)n(rMnMMnnRlimRRX(32)这样我们用交变频率为1000HZ的交流电桥测出电容池中各浓度下溶液的电容，用此电容除以真空下电容池的电容即得介电常数。用阿贝折射仪测出可见光下各溶液的折射率，再用分析天平测出各溶液的密度代入(27)－(30)式，可定出α、β、γ，再代入(31)、(32)式算出P∞和R∞，再由(26)式算出分子的永久偶极矩μ。2.3.实验仪器与试剂仪器/试剂名称生产厂家数量Abbemat300全自动折光仪AntonPaar1台DMA4100M型密度仪AntonPaar1台HK-2A型超级恒温槽南京南大万和科技有限公司1台CCJ-1型精密电容测量仪南京南大万和科技有限公司1台PCM-1A介电常数测量仪南京南大万和科技有限公司1台KCPPLUS-B06智能蠕动泵卡川尔流体科技有限公司1台KF-5843电吹风广东华能达电器有限公司1台CP323S型分析天平Sartorius1台50mL带塞锥形瓶\5个滴管\5个50mL量筒\1个5mL量筒\1个5mL移液管\1个洗耳球\1个环己烷(分析纯)Mr=84.16国药集团化学试剂有限公司1瓶正丁醇(分析纯)Mr=74.12国药集团化学试剂有限公司1瓶表1实验仪器及试剂2.4.实验步骤1．溶液配制用称量法配制0%、1%、5%、10%和15%（摩尔分数）的环已烷溶液各20毫升（除0%外，其余溶液的浓度只要求精确标出浓度值，其值控制在1%、5%、10%、15%左右）。操作时应注意防止溶质、溶剂的挥发以及吸收水汽。为此溶液配好后应迅速盖上瓶盖并置于干燥器中。2．折射率的测定用全自动折光仪测出溶液的折射率。测定时各样品需加样三次，每次取三个数据，最后取平均值（实验中只测一次）。3．介质常数的测定(1)电容池分布电容Cd和真空电容Co的测定因为电容池总是存在着和真空电容Co并联的分布电容Cd，为了从实测溶液的电容中扣除此分布电容的影响，我们必须测出此分布电容。用电吹风将电容池二极间的空隙吹干，旋上金属盖，将恒温槽电源打开，使温度固定在某一实验工作温度(实验中设为30.00℃)，测定其电容Co。测量中要反复交替调节相位平衡旋钮，使表头指针趋于最小，电桥平衡后，读出电容值，重复调节三次，以三次读数的平均值（实验中直接读数，测量两次）。再用移液管准确吸取纯环已烷2.5mL加入电容池，使液面超过二电极表面。恒温数分钟后如上述步骤测定电容值。然后打开金属盖，用滴管吸取二极间的环已烷，重新装入样品，再次测定电容值，取二次平均值为C环。由于Cd总是并联于电容池，所以有ε环=C环/Co=2.023－0.0016(t－20)C′环=C环+CdC′o=Co+Cdt为(℃)，解方程组，可得Co、Cd。(2)加溶液电容的测定测定方法同于纯环已烷。重复测定时，要去掉电极间的溶液，还要用电吹风将二极间的空隙吹干，然后再加入该浓度溶液，恒温数分钟，测出电容值。两次测定数的差值应小于0.05PF，否则要重新测量。测得的电容减去Cd后才是该溶液对应的电容值。4．溶液密度的测定用密度仪直接测出各样品的密度，注意润洗以及不要产生气泡。（实验中使用水标定仪器，直接读数，测量一次）。2.5.注意事项1.配置溶液时，一定不能将液体滴在锥形瓶口的磨砂处，这部分液体极易挥发。2.为防止溶液挥发或吸收水汽，实验过程中应及时盖上锥形瓶盖。3.使用介电常数测量仪时尽量保持每次放置盖