溶液法测定极性分子的偶极矩实验报告.doc

1 2012 级有机化学实验设计性实验报告题目: 溶液法测定极性分子的偶极矩报告作者: 专业名称: 化学教育行政班级: 2012 化学教育三班学生学号: 20122401115 指导老师: 实验时间: 2014 年10月14日提交时间: 2014 年10月23日一、实验目的 、实验原理 1. 偶极矩与极化度(1) 两个大小相等方向相反的电荷体系的偶极矩定义为,度量分子极性的大小。① 2 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。(2) 极化程度可用摩尔定向极化度 P定向来衡量: P 定向=4/3 πN A*μ 0 2/(3kT)=4/9 πN A*μ 0 2/(kT) ②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 μ来衡量。 P μ与永久偶极矩μ的平方成正比,与绝对温度 T成反比。(3) 极性分子所产生的摩尔极化度 P 是摩尔定向极化度、摩尔电子诱导极化度和摩尔原子诱导极化度的总和: P=P 定向+P 诱导=P 定向+P 电子+P 原子③ 2. 摩尔极化度的计算 、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度 P与介电常数ε之间的关系式。ρ M×+2ε-1ε?P ④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。因袭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④可以写成: 2211 1,2 221121 2121ρ xMxM×+2ε-1εPxPxP????, , , ⑤ 3 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; 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 1 11 1 01 1ρ M×+2ε-1ε??P P ⑥ 2 01 1212 1212-x xPx PxPPP ???, ,⑦ 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 2121 ax εε??, ⑧ 211,2bx ρρ??⑨因此????????????????????????????2 1 11 1121 221121 210 20 2ρ2ε 1ε bx ρ2 axε 1ε lim lim 22x Mx xMxM ax P xxP ?? 1 121 11 121 1ρ2ε 1ερ2εε3 bM M Ma????????⑩做ε 1 ,2 -x 2图,根据式⑤由直线测得斜率 a,截距ε 1;作ρ 1,2 -x 2图,并根据式由⑨直线测得斜率 b,截距ρ 1,代入式⑩得P ?2 三、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?? 1 221 1 211 1221 2120 2ρ2 6ρ2 1 lim 2???????????n cMn bM Mn nR x eRP ?根据测量的溶液折射率 n 1,2作图 n -x 2,由斜率求出 c,就可以按照式计算出P e。四、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 4 的电容器两板间电势差就会减少。设 C 0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ε称为该电解质的介电常数: 0C C???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