溶液法测定极性分子的偶极矩.ppt

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1、溶液法测定极性分溶液法测定极性分子的偶极矩子的偶极矩 Dipole Moment of a Polar Molecule Dipole Moment of a Polar Molecule化学系基础实验中心化学系基础实验中心目的要求实验原理实验仪器实验步骤注意事项数据处理实验成败的关键实验成败的关键实验讨论思考题一一 目的要求目的要求v了解偶极矩与分子电性质的关系了解偶极矩与分子电性质的关系了解偶极矩与分子电性质的关系了解偶极矩与分子电性质的关系v掌握溶液法测定偶极矩的实验技术掌握溶液法测定偶极矩的实验技术掌握溶液法测定偶极矩的实验技术掌握溶液法测定偶极矩的实验技术v用溶液法测定乙酸乙酯的偶极

2、矩用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩用溶液法测定乙酸乙酯的偶极矩二二 实验原理实验原理1.偶极矩与极化度偶极矩与极化度偶极矩与极化度偶极矩与极化度 19121912年年DebyeDebye提出提出“偶极矩偶极矩”的概念来度量分子的概念来度量分子极性的大小，其定义是：极性的大小，其定义是：=qdqd （1 1）式中式中q q为正、负电荷中心所带的电荷量；为正、负电荷中心所带的电荷量；d d为正、负为正、负电荷中心间的距离；电荷中心间的距离；是一个矢量，其方向规定为是一个矢量，其方向规定为从正到负，数量级为从正到负，数量级为1010-30-30CmCm。d 极极性性分分子子具

3、具有有永永久久偶偶极极矩矩，在在没没有有外外电电场场存存在在时时，其其偶极矩的统计值为零偶极矩的统计值为零 。若若将将极极性性分分子子置置于于均均匀匀的的电电场场中中，则则偶偶极极矩矩在在电电场场的的作作用用下下会会趋趋向向电电场场方方向向排排列列。这这是是我我们们称称这这些些分分子子被被极极化化了了，极极化化的的程程度度可可用用摩摩尔尔转转向向极极化化度度（P P转转向向）来衡量来衡量 。（2）二二 实验原理实验原理vv当当处处于于频频率率小小于于10101010s s-1-1的的低低频频电电场场或或静静电电场场中中，极极性性分分子子所所产产生生的的摩摩尔尔极极化化度度P P是是转转向向极极

4、化化、电电子子极极化化和和原子极化的总和。原子极化的总和。vv当当频频率率增增加加到到1010121210101414s s-1-1的的中中频频(红红外外频频率率)时时，此此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度P P诱导诱导。vv当当交交变变电电场场的的频频率率进进一一步步增增加加到到大大于于10101515s s-1-1的的高高频频(可可见见光光和和紫紫外外频频率率)时时，极极性性分分子子的的摩摩尔尔极极化化度度等等于于电子极化度电子极化度P P电子电子。（3）二二 实验原理实验原理vv原原则则上上只只要要在在低低频频电电场场下下测测得得极极性性分

5、分子子的的摩摩尔尔极极化化度度P P，在在红红外外频频率率下下测测得得极极性性分分子子的的摩摩尔尔诱诱导导极极化化度度P P诱诱导导，两两者者相相减减得得到到极极性性分分子子摩摩尔尔转转向向极极化化度度 P P转转向向，然然后代入后代入(2)(2)式就可算出极性分子的永久偶极矩来。式就可算出极性分子的永久偶极矩来。二二 实验原理实验原理 二二 实验原理实验原理乙酸乙酯乙酸乙酯-四氯四氯化碳溶液化碳溶液无限稀释溶无限稀释溶液的介电常液的介电常数和溶液的数和溶液的密度求密度求P P2 2在可见光在可见光下测定溶下测定溶液的液的R2本实验本实验然后由然后由(10)(10)式计算乙酸乙酯的偶极矩。式计

6、算乙酸乙酯的偶极矩。二二 实验原理实验原理 式中，式中，1 1、1 1、MM1 1分别是溶剂的介电常数、密度分别是溶剂的介电常数、密度和摩尔质量；和摩尔质量；MM2 2、x x2 2为溶质的摩尔质量和摩尔分为溶质的摩尔质量和摩尔分数；数；和和 为常数，可通过稀溶液的近似公式求得：为常数，可通过稀溶液的近似公式求得：2.2.极化度的测定极化度的测定无限稀时，溶质的摩尔极化度无限稀时，溶质的摩尔极化度P2的公式为的公式为 溶溶溶溶 1 1(1(1xx2 2)（5 5）溶溶溶溶 1 1(1(1xx2 2)（6 6）vv式中，式中，溶溶和和溶溶分别是溶液的介电常数和密度；分别是溶液的介电常数和密度；x

7、 x2 2是溶质的摩尔分数。是溶质的摩尔分数。vv无限稀释时，溶质的摩尔折射度无限稀释时，溶质的摩尔折射度R R2 2 的公式为的公式为 二二 实验原理实验原理vv式式中中，n n1 1为为溶溶剂剂的的折折射射率率；为为常常数数，可可由由稀稀溶溶液液的的近似公式求得：近似公式求得：n n溶溶溶溶n n1 1(1(1xx2 2)（8 8）式中，式中，n n溶溶是溶液的折射率。是溶液的折射率。二二 实验原理实验原理3.偶极矩的测定偶极矩的测定偶极矩的测定偶极矩的测定vv考虑到原子极化度通常只有电子极化度的考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5%5%15%15%，而且，而且P P转向转向又比又比P

8、P电子电子大得多，故常常忽视原子极化大得多，故常常忽视原子极化度。度。vv分子的永久偶极矩可用下面简化式计算分子的永久偶极矩可用下面简化式计算 二二 实验原理实验原理4.介电常数的测定介电常数的测定介电常数的测定介电常数的测定vv介介电电常常数数是是通通过过测测量量电电容容计计算算得得到到的的。本本实实验验采采用用电桥法测量电容。电桥法测量电容。vv测量物质的介电常数测量物质的介电常数 与电容的关系为：与电容的关系为：vv式式中中C C0 0，0 0分分别别为为真真空空时时的的电电容容和和电电容容率率；C Cx x，x x分别为充满某物质时的电容和电容率。分别为充满某物质时的电容和电容率。二二

9、 实验原理实验原理 vv电容池插在小电容测量仪的插孔上呈现的电容电容池插在小电容测量仪的插孔上呈现的电容C Cx x可看可看作电容池两电极间的电容作电容池两电极间的电容C Cc c和整个测试系统中的分布和整个测试系统中的分布电容电容C Cd d并联所构成，即并联所构成，即C Cx x=C Cc c+C+Cd d。vvC Cd d对同一台仪器而言是一个恒定值，称为仪器的本底对同一台仪器而言是一个恒定值，称为仪器的本底值，需先求出仪器的值，需先求出仪器的C Cd d，并在各次测量中予以扣除。，并在各次测量中予以扣除。二二 实验原理实验原理 PCM-1APCM-1A型型精密电容精密电容测量仪测量仪阿

10、贝折光仪阿贝折光仪电吹风电吹风比重管比重管三、实验仪器三、实验仪器四、实验步骤四、实验步骤 1.1.折射率的测定折射率的测定折射率的测定折射率的测定 vv用阿贝折光仪测定四氯化碳及各配制溶液的折用阿贝折光仪测定四氯化碳及各配制溶液的折光率，注意测定时各样品需加样光率，注意测定时各样品需加样3 3次，每次读取次，每次读取三个数据。三个数据。2.2.介电常数的测定介电常数的测定介电常数的测定介电常数的测定 (1)(1)将电容测量仪通电，预热将电容测量仪通电，预热10min10min。(2)(2)将电容仪与电容池，调节零电位器使数字表将电容仪与电容池，调节零电位器使数字表头指示为零。然后测定头指示为

11、零。然后测定CC空空值。值。(3)(3)移取移取1mL1mL四氯化碳加入到电容池中，数字表头四氯化碳加入到电容池中，数字表头上所示值即为上所示值即为CC标标 (4)(4)用冷风将样品室吹干后再测用冷风将样品室吹干后再测CC空空值，与前面值，与前面所测的所测的CC空空值应小于值应小于0.05pF0.05pF。然后装入溶液，。然后装入溶液，同样方法测定六份溶液的同样方法测定六份溶液的CC溶溶。四、实验步骤四、实验步骤 五、注意事项五、注意事项 每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测CC空空，与原来的与原来的CC空空值相差应小于值相差应小于0.01pF0.01p

12、F。严禁用热风。严禁用热风吹样品室。吹样品室。测测CC溶溶时，操作应迅速，池盖要盖紧，防止样品时，操作应迅速，池盖要盖紧，防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽。装样品的挥发和吸收空气中极性较大的水汽。装样品的滴瓶也要随时盖严。滴瓶也要随时盖严。每次装入量严格相同，样品过多会腐蚀密封材每次装入量严格相同，样品过多会腐蚀密封材料渗入恒温腔，实验无法正常进行。料渗入恒温腔，实验无法正常进行。五、注意事项五、注意事项 要反复练习差动电容器旋钮、灵敏度旋钮和损耗旋要反复练习差动电容器旋钮、灵敏度旋钮和损耗旋钮的配合使用和调节，在能够正确寻找电桥平衡位钮的配合使用和调节，在能够正确寻找电桥平衡位置后，再

13、开始测定样品的电容。置后，再开始测定样品的电容。注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以免损坏。免损坏。1.1.计算不同溶液的实际浓度计算不同溶液的实际浓度x x2 2。2.2.计算计算C C0 0、C Cd d和各溶液的和各溶液的C Cx x值，求出各溶液的介电值，求出各溶液的介电常数常数 溶，作溶，作 溶溶x x2 2图，由直线斜率求算图，由直线斜率求算 值。值。3.3.计算纯四氯化碳和各溶液的密度计算纯四氯化碳和各溶液的密度，作，作 x x2 2图，图，由直线斜率求算由直线斜率求算 值。值。4.4.作作n n溶溶x x2 2图，由直线斜率求

14、算图，由直线斜率求算 值。值。5.5.将将 2 2、1 1、和和 值代入（值代入（4 4）式，计算）式，计算P P2 2 。6.6.将将 1 1、n n1 1、和和 值代入（值代入（7 7）式，计算）式，计算R R2 2 。7.7.将将P P2 2、R R2 2 值代入（值代入（1010）式，计算乙酸乙酯的偶）式，计算乙酸乙酯的偶极矩极矩 值值。六、数据处理六、数据处理 七、实验成败的关键七、实验成败的关键1.要准确配制溶液，要严格测定溶液的密度，要准确配制溶液，要严格测定溶液的密度，根根 据溶液浓度从小到大的顺序测定。据溶液浓度从小到大的顺序测定。2.用电吹风是不要用热风。用电吹风是不要用热

15、风。3.使用阿贝折射仪时要注意将药品涂满载样使用阿贝折射仪时要注意将药品涂满载样盘，正确读取数据。盘，正确读取数据。4.使用小电容仪时注意加样品的量要每次一使用小电容仪时注意加样品的量要每次一致。实验过程中要防止样品挥发致。实验过程中要防止样品挥发。八、实验讨论八、实验讨论 1.1.从偶极矩的数据可以了解分子的对称性，判别其从偶极矩的数据可以了解分子的对称性，判别其几何异构体和分子的主体结构等问题。几何异构体和分子的主体结构等问题。2.2.偶极矩一般是通过测定介电常数、密度，折射率偶极矩一般是通过测定介电常数、密度，折射率和浓度来求算的。对介电常数的测定除电桥法外，和浓度来求算的。对介电常数的

16、测定除电桥法外，其它主要还有拍频法和谐振法等，对于气体和电其它主要还有拍频法和谐振法等，对于气体和电导很小的液体以拍频法为好；有相当电导的液体导很小的液体以拍频法为好；有相当电导的液体用谐振法较为合适；对于有一定电导但不大的液用谐振法较为合适；对于有一定电导但不大的液体用电桥法较为理想。体用电桥法较为理想。3.3.虽然电桥法不如拍频法和谐振法精确，但设备简单，虽然电桥法不如拍频法和谐振法精确，但设备简单，价格便宜。价格便宜。4.4.测定偶极矩的方法除由对介电常数等的测定来求外，测定偶极矩的方法除由对介电常数等的测定来求外，还有多种其它的方法，如分子射线法，分子光谱还有多种其它的方法，如分子射线

17、法，分子光谱法，温度法以及利用微波谱的斯塔克效应等。法，温度法以及利用微波谱的斯塔克效应等。5.5.还可用不同的溶剂来测定体系的偶极矩如：苯和环还可用不同的溶剂来测定体系的偶极矩如：苯和环己烷为溶剂测定氯苯的偶极矩，比较此两种溶剂己烷为溶剂测定氯苯的偶极矩，比较此两种溶剂的测定结果并分析之。的测定结果并分析之。八、实验讨论八、实验讨论 九、思考题九、思考题 1.1.测定介电常数时，如何最大限度保证分布电容测定介电常数时，如何最大限度保证分布电容CdCd为定值？为定值？2.2.准确测定溶质摩尔极化度与摩尔折射度时，为准确测定溶质摩尔极化度与摩尔折射度时，为什么要外推至无限稀释？什么要外推至无限稀释？3.3.溶液法测得溶质偶极矩与气相测得的真实值间溶液法测得溶质偶极矩与气相测得的真实值间存在偏差，其原因是什么？存在偏差，其原因是什么？4.4.试分析影响结果的因素，如何改进？试分析影响结果的因素，如何改进？