稀溶液法测定偶极矩实验报告(华南师范大学物化实验)

稀溶液法测定偶极矩
、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）测定正丁醇的偶极矩
二、实验原理
2.1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，其定义是
卩qd （1）
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；卩是
一个矢量，其方向规定为从正到负，的数量级是10-3°Cm
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P卩来衡量。

R与永久偶极矩卩的平方成正比，与绝对温度T成反比。

(2)
(6)
4 nN A A 巳-9kF
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；A 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
摩尔极化度P 与介电常数c 之间的关系式。

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 P e 和原子极化度
因此
诱导
=p e + P a
(3)
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101O H Z 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。

A
+ P e +R
(4)
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 P A
+ P e +P a 。

若把频率提高到红外围，分子已经来不及转向，此时测得的极化度只有
P e 和 P a
的贡献了。

所以从按介电常数计算的P 中减去红外线频率围测得的极化，就等于
P A
，
在实验上，若把频率提高到可见光围，则原子极化也可以忽略，则在可见光 围:
A
=P -( P e +P a ) e P - P
(5)
2.2 摩尔极化度的计算
(11)
式中，M 为被测物质的摩尔质量；p 为该物质的密度；& 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。

因此后来就 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:
勺 2—1 ▽ Mi X i M 2X 2
X"
q,2
+2 p ,2
式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；X 1表示溶剂的摩尔分数；X 2表示 溶质的摩尔分数；P 表示溶剂的摩尔极化度；巳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
Hedestrand 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
(10)
p ,2
p bX
2
因此
X [P 〔 X 2 P 2
P
1,2 0
P P l 叼―]X M i 勺+2 p
P
R,2
— X i P
2 X
2
P
，2
X i
卩
1
X 2
(8)
(9)
(12)
X i
q aX 2 2 p i bx 2 q 2 p i
lim 巳 lim
X 2 0
X 2 0
x
3a M 1 s, 1 M 2 bM 1
q 2 p q
1 2
p
做q 1, 2-X 2图，根据式（7）由直线测得斜率a ,截距£1；作p 1,2 -X 2图,
并根据式（11）由直线测得斜率b ,截距p 1,代入式（12）得P 2
2.3由折光度计算电子极化度P e
电子极化度可以使用摩尔折光度 R 代替，即
P e
R
2 X 2
叫 R
2
2
n 1
1 M
2 bM 1
根据测量的溶液折射率n 1,2作图n 1.2-X 2,由斜率求出c ,就可以按照式（13） 计算出P e
2.4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C °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C 0的比值q 称为该电解质的介电常数：
(14)
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
r
m2
p
q ax 2
1 M N M 2x
2 P
2
2
6n 1 M 1c
(13)
(1
(19)
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 G 两部分，即
对于给定的电容池，必须先测出其分布电容
C x 。

可以先测出以空气为介质
C'
样品
=C 样品+ C x
(15)
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。

又因为
&标=
可得
C x = C'
C'标—C'空
&标一 1
(16)
C'标—C'空
= &标一1
(17)
计算出
C 0 之后，根据式（6）和式（15）可得样品的介电常数:
2.5偶极矩的计算 C'溶 一 G £
溶二—
Cr~
(18)
通过上述步骤分别计算出P 2、
9k P 2
R 2 T
4 nN
R 2之后，根据式（2）可得:
0.128.. P 2
R 2 T
三、仪器与试剂
3.1仪器
电容测量仪器、25mL容量瓶、移液管、电子天平、阿贝折射计、滴管、烧杯、洗耳球、干燥器等
3.2试剂
正丁醇（分析纯），环己烷（分析纯），丙酮（分析纯）
四、实验步骤
4.1室温的测定
25.6 C
4.2溶液配制
将4个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。

在空瓶分别加入0.5mL、I.OmL、1.5mL和2.0mL的正丁醇再称重。

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。

实验数据见表 1.
4.3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。

实验数据见表2.
4.4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：
& 环=2.023-0.0016（t-20）（20）
式中，t为温度，°C。

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，用吹风机吹干样品池后才能继续测量。

注意，用吹风机吹样品池的时候不能用热风，以防样品池温度放生改变带来误差。

实验数据见表4.
五、数据记录与处理
5.1溶液配制数据及计算摩尔分数X2
5.2折射率的测定数据记录
表2.折射率的测定数据记录
5.3绘制折射率n 1,2和溶液摩尔分数X2的工作曲线
i,22
由工作曲线可知，斜率c为-0.0672
5.4电容的测定数据记录以及相关常数值、电容值的计算
表4.电容的测定实验数据
测得空气电容C空‘：-0.11PF 温度t : 25.6 C
根据环己烷的介电常数温度公式（）,求得环己烷的介电常数为
& 标=2.023-0.0016（t-20）= 2.01404 本实验采用环己烷作为标准物质，其电容值为C标=2.38PF
C'标一C'空由式（16）求得电容池的分布电容G = C'空一=-2.57PF
£标一|
C'标一C'空
由式（17）求得极板处于真空时的电容O =—标匚=2.46PF
£标一|
C'溶一G
根据式（18）£溶= 亍，求得各浓度乙酸乙酯样品的介电常数
根据表5,绘出介电常数工作曲线 &与摩尔分数X 2的工作曲线
图2.E -X 2工作曲线
y = 3.0565 x + 2,0304
R 2 = 0.9998
由工作曲线可得，斜率 a=3.0565，截距£ 1=2.0304.
5.5绘制溶液密度p 1,2与摩尔分数X 2的工作曲线
1,22样品加入量
密度 p (g/mL)
X 2 0.5ml 0.7694 0.0222 1.0ml 0.7731 0.0444 1.5ml 0.7746 0.0668 2.0ml
0.7776
0.0889
摩尔分議勒
2.300
2.2OU
225。

?.100
2.050
0,0000
0,0200 0,D4OO 0.0500
0,0800 0,100U
图3.P 1F 2-X 2工作曲线
根据工作曲线，可得直线斜率 b=0.1176，截距p 1=0.7671.
根据式（13）,得电子极化度
根据式（19），的乙酸乙酯的偶极矩为
9k (
p 2
R 2
)T
0.0128 .(p 2 R 2 )T 2.5292D
六、分析与讨论
稀溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩，涉及的参数很多，每一个参数的测定都必
Q 0000 5.6 摩尔极化度P 2
的计算
5.7 根据式（12）, 得乙酸乙酯的摩尔极化度为
P 2
3a 1 (1 2)2
1 M
2 bM 1
151.5395
电子极化度R 的计算
5.8 P ， R 2
lim R 2
x2 0
偶极矩卩的计算
bM 1
2
6n 1 M 1c
(n ； 2)2 1
20.7844
4 N A
Q773D 0.7720
□ .7710 0.7700
□ 778D
07770 0.7760
□ .774D
0.0200 0.0400 0.0&00
摩尔分数片
0.080U 0.1000 y^0 1176x + 07671
0.9760
然会带入误差。

若果要保证实验最终结果的准确性，则每一步都必须按照实验章程，避免操作失误，把系统误差降至最低。

实验的第一步是溶液的配制，与常规的溶液配制不同，本次实验中，溶液的配制与溶液的称重是同时进行的。

使用吸量管吸取一定量的乙酸乙酯要保证读数准确，于容量瓶中定容时必须保证刻线与凹液面相切。

容量瓶要提前贴好标签，乙酸乙酯是挥发性的液体，往容量瓶中加液后，要立刻盖上容量瓶盖。

定容后，无需摇匀，否则后使乙酸乙酯挥发速度加快。

挥发强度大的时候可观察到分析天平示数一直下降，称量时要关好分析天平的玻璃门以降低空气流速。

所有仪器都
必须干燥，不能接触水，洗后要烘干后才可以使用，水是极性分子，会影响到乙酸乙酯偶极矩的测定。

实验的第二步是折射率的测定，这一步涉及阿贝折射计的使用。

一般来说，往样品台滴加2~3滴溶液，基本上可以满足测量需要，但是考虑到测量的是挥发性样品，将溶液的滴加数量增加至5滴，滴加后要迅速关上样品台。

读数时，要注意小数位的估读，对于同一样品前后两次测量的误差大于0.0003的情况，就
应该进行第三次测量。

本次折射率的测量，至少要测量15次，加上超过误差围
需要重新测量的情况，几乎要测量25次，到后期会感到明显的视觉疲劳，在一定程度上影响读数的准确性，如果时间许可，最好让眼睛稍作休息后再继续试验。

试验的第三步是介电常数的测定，这一步要借助于电容测量仪器，测量一个样品后，需要用滤纸将残留样品吸干，等样品池干燥后在继续测量，否则不同的样品互相影响，导致测量结果失实。

另外要尽量保证溶液的组成不变，取完溶液后要立刻盖上容量品盖子，防止乙酸乙酯挥发。

本次实验的操作过程不长，但数据处理方面较为繁琐复杂。

使用excel软件
处理数据，输入相关公式可自动生成相应的结果，使用最小二乘法得出工作曲线
图。

查阅相关文献，关于本实验的改进方法包括电容测量仪器的改造，以及数据处理方法上应用Matlab，SPSS等专业的数据处理软件，以简化数据处理过程，但对软件使用的技术要求较高。

或者应用Guggenheim-Smith提出的简化和改进
方法，用质量分数对折射率和介电常数作图，可以省去测量溶液密度的步骤。

七、参考文献
[1] 何广平，南俊民等.物理化学实验[M].:化学工业，2008,134-139.
[2] 史振民，竹莲等.溶液法测定偶极矩实验的误差分析及其改进[J].大学学报（自然科学版），1996,15（1）：83-87.
[3] 力.影响偶极矩测定因素分析及解决方法[J].希望月报，2007。