偶极矩的测定实验报告中国科大

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1、实验十二 偶极矩的测定摘要：本实验利用溶液法，通过测定不同浓度的正丁醇的环己烷溶液在同一条件（20、1atm）下的折射率、电容、密度等各种性质计算出分子的偶极矩，并对比实验结果分析了解电介质在外电场中的极化现象。关键词 ： 极化现象 偶极矩 溶液法前言：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。 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

2、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 = D E内 (1)式中E内为作用于个别分子上的强场。 D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 D = E + A (2)式中 E、 A分别称为电子极化率和原子极化率。有Clausius-Mosotti方程， (3)定义摩尔变形极化度PD为 (4) 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 (5)式中P

3、E、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。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10121014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 = n 2，n为介质的折射率，这时的摩尔极化度

4、称为摩尔折射度R (6)因为PA只有PE的10%左右，一般可以略去，或按PE10%修正。计算，有 (7)在实验中要测不同浓度下的P、R，即可用外推法求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。 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，经过相关计算即可算出分子的永久偶极矩。实验部分(一) 仪器与试剂试剂：正丁

5、醇（分析纯）环已烷（分析纯）仪器：容量瓶（50毫升）5只 5毫升移液管5支 胶头滴管5只阿贝折射仪一台分析天平一台超级恒温槽一台电吹风一只CCJ1型精密电容测量仪一台电容池1只(二) 实验过程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折射率的测定用阿贝折射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。3介质常数的测定(1)电容池分布电容Cd

6、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，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。再用针筒吸取纯环已烷加入电容池，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，用针筒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，所以有环 = C环 / Co

7、= 2.0230.0016 ( t20 ) (8) C 环 = C环 + Cd (9) C o = Co + Cd (10)式中t为()，(8)式为环已烷的介电常数随温度变化的公式，解上述方程组，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溶液密度的测定用比重瓶在分析天平上分别称得瓶重W0，加液后的质量W1，和加水后的W2，按 (11)计算溶液的密度溶。式中水 ( t )为

8、在工作温度下的密度，可由表中查出。测量中要避免比重瓶中气泡的产生，等测完所有溶液的密度后，才加水测量W2。 结果与讨论1、计算各溶液的摩尔分数浓度X2及各溶液的密度，作溶X2图，用 = 斜率 / 环算出。作溶X2图，线性拟合得到：斜率=0.011所以 = 斜率 / 环=0.011/0.77852=0.014132作n溶X2图，用 = 斜率 / n环算出。作n溶X2图，线性拟合得到：斜率=-0.03184 = 斜率 / n环=-0.03184/1.4256= -0.0223153、算出Co、Cd和溶，由溶 = C溶 / Co算出溶，作溶X2图，由 = 斜率 /环算出。T=20环 = C环 / C

9、o=2.203 （8） C 环 = C环 + Cd （9） C o = Co+ Cd （10） 联立（8）（9）（10）建立方程，得到：Co=1.800PF Cd=2.515PF由C溶=C 溶-Cd，溶 = C溶/ Co计算可得C溶与溶，并做溶-X 2图，线性拟合，可得斜率为：4.360 = 斜率 /环=4.360/2.369=1.844、算出P，R，以及正丁醇的偶数矩由 以及13中算出来的相关值，可以计算得到：P=103.42R= 21.43=1.98 Debye5.实验误差查阅兰氏化学手册知正丁醇的固有偶极矩为1.66Debye故误差为：通过上面的计算可以看出，所有的曲线并不严格成线性，而

10、实验中的很多原因也会导致最终的实验误差，比如：（1）尽管实验要求尽快地进行实验，并且在实验过程中要将瓶塞塞好，但是溶液中两种物质挥发度不同，实验过程中溶液的浓度的改变对于测量结果仍有影响；（2）电容测量仪老化，读数跳跃大、不稳定，实验中通过多次测量取平均的方法来减小这一误差，但是仍对结果有一定的影响；（3）实验测密度并没有用比重法，而是直接计算正丁醇和环己烷的总质量后除以20ml得到，20ml只是正丁醇和环己烷各自体积的代数和，并没有严格测量；（4）实验推导中忽略了分子间相互作用，故需要用稀溶液进行实验，但事实上稀溶液中分子也存在一定的作用，会导致系统误差；（5）实验忽略了分子间作用，存在系统

11、误差。结论：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）。具有永久偶极矩的分子在电场的作用下，会稍微地转向电场方向，而对于溶液来说，其浓度、密度、电容和折射率等性质与其极化率有关。本实验利用溶液法，通过测定不同浓度的正丁醇溶液在同一条件下的折射率、电容、密度等各种性质计算出分子的永久偶极矩，计算得到正丁醇的永久偶极矩为1.98 Debye。参考文献物理化学实验崔献英，柯燕雄，单绍纯 中国科学技术大学出版社物理化学傅献彩等 高等教育出版社普通化学原理华彤文等 北京大学出版社兰氏化

12、学手册Determination of dipole moment matterAbstract：The determination of the different concentrations of n-butanol solution of the refractive index in the same condition, capacitance, density and other properties, familiar with the dipole moment of the solution method for the determination of the princ

13、iples of material and methods, and compare the experimental results to understand the dielectric in uniform electric field Polarization.Keywords: polarization, dipole moment, the solution method附件：1、计算各溶液的摩尔分数浓度X2及各溶液的密度，作溶X2图，用 = 斜率 / 环算出。Table1正丁醇摩尔分数12345W0/g67.29360.36157.14464.333W1/g67.78761.3

14、0858.83366.803W2/g82.81976.75172.21479.571X/%02.815.1210.0014.56r/gml0.77850.77910.77950.77990.7804作溶X2图，线性拟合可以得到：斜率=0.011所以 = 斜率 / 环=0.011/0.77852=0.014132作n溶X2图，用 = 斜率 / n环算出。Table2 折射率12345n11.42851.42751.42611.42391.4220n21.42851.42751.42611.42391.4221n31.42861.42741.42601.42401.4222平均n1.42561.4

15、2461.42321.42101.4220X202.815.1210.0014.56作n溶X2图，线性拟合得到：斜率=-0.04493 = 斜率 / n环=-0.04493/1.4256= -0.031493、算出Co、Cd和溶，由溶 = C溶 / Co算出溶，作溶X2图，由 = 斜率 /环算出。T=20空 气（真 空）01%5%10%15%电容14.316.486.636.747.097.63电容24.326.486.646.757.097.66平均电容4.3156.486.6356.7457.097.645则环 = C环 / Co = 2.0230.0016*( T20 )=2.023 环

16、 = C环 / Co （8） C 环 = C环 + Cd （9） C o = Co+ Cd （10） 联立（8）（9）（10）建立方程，则Co=1.800PF Cd=2.515PF由C溶=C 溶-Cd，溶 = C溶/ Co计算可得C溶与溶，结果如下：01%5%10%15%C溶4.2654.4204.5304.8755.430溶2.3692.4562.5172.7083.017X 202.815.1210.0014.56以溶对X 2作图，可得斜率为：4.360 = 斜率 /环=4.360/2.369=1.844、将、1、1代入公式算出P。有相关数据如下： =0.01413 =1.84环=2.369 环=0.77852g/mL M环=84.16g/mol M正=74.12g/mol代入可得，=103.425、将、n1、1代入公式算出R。有 相关数据如下：=0.01413 =-0.03149环=0.77852g/mL n环=1.4256 M环=84.16g/mol M正=74.12g/mol代入可得，= 21.43436、将P和R代入公式计算出正丁醇的偶数矩。=0.0128=1.98 Debye