溶液法測(cè)定極性分子的偶極矩-化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心

1、化學(xué)系基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,溶液法測(cè)定極性分子的偶極矩,—— Dipole Moment of a Polar Molecule,,,,,,,,,,,目的要求,實(shí)驗(yàn)原理,實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)驗(yàn)步驟,注意事項(xiàng),數(shù)據(jù)處理,實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵,實(shí)驗(yàn)討論,思考題,一 目的要求,了解偶極矩與分子電性質(zhì)的關(guān)系掌握溶液法測(cè)定偶極矩的實(shí)驗(yàn)技術(shù)用溶液法測(cè)定乙酸乙酯的偶極矩,,二 實(shí)驗(yàn)原理,偶極矩與極化度 1912年Debye提出“偶極矩”μ的概念來(lái)度量分子極性的

2、大小，其定義是： μ=q·d （1） 式中q為正、負(fù)電荷中心所帶的電荷量；d為正、負(fù)電荷中心間的距離；μ是一個(gè)矢量，其方向規(guī)定為從正到負(fù)，數(shù)量級(jí)為10-30C·m。,,,,μ,,,,,d,,,,極性分子具有永久偶極矩，在沒有外電場(chǎng)存在時(shí)，其偶極矩的統(tǒng)計(jì)值為零 。若將極性分子置于均勻的電場(chǎng)

3、中， 則偶極矩在電場(chǎng)的作用下會(huì)趨向電場(chǎng)方向排列。這是我們稱這些分子被極化了，極化的程度可用摩爾轉(zhuǎn)向極化度（P轉(zhuǎn)向）來(lái)衡量 。,（2）,二 實(shí)驗(yàn)原理,當(dāng)處于頻率小于1010s-1的低頻電場(chǎng)或靜電場(chǎng)中，極性分子所產(chǎn)生的摩爾極化度P是轉(zhuǎn)向極化、電子極化和原子極化的總和。當(dāng)頻率增加到1012～1014s-1的中頻(紅外頻率)時(shí)，此時(shí)極性分子的摩爾極化度等于摩爾誘導(dǎo)極化度P誘導(dǎo)。當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率進(jìn)一步增加到大于1015s-1的高頻(可見光和

4、紫外頻率)時(shí)，極性分子的摩爾極化度等于電子極化度P電子。,,（3）,二 實(shí)驗(yàn)原理,原則上只要在低頻電場(chǎng)下測(cè)得極性分子的摩爾極化度P，在紅外頻率下測(cè)得極性分子的摩爾誘導(dǎo)極化度P誘導(dǎo)，兩者相減得到極性分子摩爾轉(zhuǎn)向極化度 P轉(zhuǎn)向，然后代入(2)式就可算出極性分子的永久偶極矩來(lái)。,,二 實(shí)驗(yàn)原理,,二 實(shí)驗(yàn)原理,無(wú)限稀釋溶液的介電常數(shù)和溶液的密度求P2∞,在可見光下測(cè)定溶液的R2∞,本實(shí)驗(yàn),,,,然后由(10)式計(jì)算乙酸乙酯的偶極矩。,,二

5、實(shí)驗(yàn)原理,式中，ε1、ρ1、M1分別是溶劑的介電常數(shù)、密度和摩爾質(zhì)量；M2、x2為溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量和摩爾分?jǐn)?shù)；α和β為常數(shù)，可通過稀溶液的近似公式求得：,極化度的測(cè)定無(wú)限稀時(shí)，溶質(zhì)的摩爾極化度P2∞的公式為,,ε溶＝ε1(1＋αx2) （5） ρ溶＝ρ1(1＋βx2) （6）,式中，ε溶和ρ溶分別是溶液的介電常數(shù)和密度；x2是溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。,無(wú)限稀釋時(shí)，溶質(zhì)的摩爾折射度R

6、2∞的公式為,二 實(shí)驗(yàn)原理,式中，n1為溶劑的折射率；γ為常數(shù)，可由稀溶液的近似公式求得：,n溶＝n1(1＋γx2) （8） 式中，n溶是溶液的折射率。,二 實(shí)驗(yàn)原理,偶極矩的測(cè)定考慮到原子極化度通常只有電子極化度的5%～15%，而且P轉(zhuǎn)向又比P電子大得多，故常常忽視原子極化度。 分子的永久偶極矩可用下面簡(jiǎn)化式計(jì)算,,,二 實(shí)驗(yàn)原理,介電常數(shù)的測(cè)定介電常數(shù)是通過測(cè)量電容計(jì)算得到

7、的。本實(shí)驗(yàn)采用電橋法測(cè)量電容。測(cè)量物質(zhì)的介電常數(shù)ε與電容的關(guān)系為：式中C0，ε0分別為真空時(shí)的電容和電容率；Cx，εx分別為充滿某物質(zhì)時(shí)的電容和電容率。,二 實(shí)驗(yàn)原理,,電容池插在小電容測(cè)量?jī)x的插孔上呈現(xiàn)的電容Cx可看作電容池兩電極間的電容Cc和整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的分布電容Cd并聯(lián)所構(gòu)成，即Cx=Cc+Cd。Cd對(duì)同一臺(tái)儀器而言是一個(gè)恒定值，稱為儀器的本底值，需先求出儀器的Cd，并在各次測(cè)量中予以扣除。,二 實(shí)驗(yàn)原理,,PCM-1

8、A型精密電容測(cè)量?jī)x,阿貝折光儀,電吹風(fēng),比重管,三、實(shí)驗(yàn)儀器,,四、實(shí)驗(yàn)步驟,折射率的測(cè)定 用阿貝折光儀測(cè)定四氯化碳及各配制溶液的折光率，注意測(cè)定時(shí)各樣品需加樣3次，每次讀取三個(gè)數(shù)據(jù)。介電常數(shù)的測(cè)定 將電容測(cè)量?jī)x通電，預(yù)熱10min。,(2)將電容儀與電容池，調(diào)節(jié)零電位器使數(shù)字表頭指示為零。然后測(cè)定C′空值。(3)移取1mL四氯化碳加入到電容池中，數(shù)字表頭上所示值即為C′標(biāo) (4)用冷風(fēng)將樣品室吹干后再測(cè)C′空值，與前面所測(cè)的

9、C′空值應(yīng)小于0.05pF。然后裝入溶液，同樣方法測(cè)定六份溶液的C′溶。,四、實(shí)驗(yàn)步驟,,,,,,五、注意事項(xiàng),? 每次測(cè)定前要用冷風(fēng)將電容池吹干，并重測(cè)C′空，與原來(lái)的C′空值相差應(yīng)小于0.01pF。嚴(yán)禁用熱風(fēng)吹樣品室。? 測(cè)C′溶時(shí)，操作應(yīng)迅速，池蓋要蓋緊，防止樣品揮發(fā)和吸收空氣中極性較大的水汽。裝樣品的滴瓶也要隨時(shí)蓋嚴(yán)。? 每次裝入量嚴(yán)格相同，樣品過多會(huì)腐蝕密封材料滲入恒溫腔，實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行。,,,,,五、注意事項(xiàng),?要反復(fù)

10、練習(xí)差動(dòng)電容器旋鈕、靈敏度旋鈕和損耗旋鈕的配合使用和調(diào)節(jié)，在能夠正確尋找電橋平衡位置后，再開始測(cè)定樣品的電容。? 注意不要用力扭曲電容儀連接電容池的電纜線，以免損壞。,,計(jì)算不同溶液的實(shí)際濃度x2。計(jì)算C0、Cd和各溶液的Cx值，求出各溶液的介電常數(shù)ε溶，作ε溶～x2圖，由直線斜率求算α值。計(jì)算純四氯化碳和各溶液的密度ρ，作ρ～x2圖，由直線斜率求算β值。作n溶～x2圖，由直線斜率求算γ值。將ρ2、ε1、α和β值代入（4）式，

11、計(jì)算P2∞ 。將ρ1、n1、β和γ值代入（7）式，計(jì)算R2∞ 。將P2∞、 R2∞值代入（10）式，計(jì)算乙酸乙酯的偶極矩μ值。,六、數(shù)據(jù)處理,,七、實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵,要準(zhǔn)確配制溶液，要嚴(yán)格測(cè)定溶液的密度，根 據(jù)溶液濃度從小到大的順序測(cè)定。用電吹風(fēng)是不要用熱風(fēng)。使用阿貝折射儀時(shí)要注意將藥品涂滿載樣盤，正確讀取數(shù)據(jù)。使用小電容儀時(shí)注意加樣品的量要每次一致。實(shí)驗(yàn)過程中要防止樣品揮發(fā)。,,,,八、實(shí)驗(yàn)討論,1. 從偶極矩的數(shù)據(jù)可以了解分

12、子的對(duì)稱性，判別其幾何異構(gòu)體和分子的主體結(jié)構(gòu)等問題。2. 偶極矩一般是通過測(cè)定介電常數(shù)、密度，折射率和濃度來(lái)求算的。對(duì)介電常數(shù)的測(cè)定除電橋法外，其它主要還有拍頻法和諧振法等，對(duì)于氣體和電導(dǎo)很小的液體以拍頻法為好；有相當(dāng)電導(dǎo)的液體用諧振法較為合適；對(duì)于有一定電導(dǎo)但不大的液體用電橋法較為理想。,3. 雖然電橋法不如拍頻法和諧振法精確，但設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。4. 測(cè)定偶極矩的方法除由對(duì)介電常數(shù)等的測(cè)定來(lái)求外，還有多種其它的方法，如分子射線