物化实验报告实验B偶极矩的测定.doc

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1、实验B 偶极矩的测定摘 要： 本实验通过测定正丁醇的环己烷溶液折射率的测定可以计算出溶液的偶极距，根据介电常数和密度随浓度的变化，利用外推法确定线性关系系数，从而求得正丁醇的固有偶极矩大小。关键词：正丁醇 极化度 偶极距 折射率 介质常数The determination of dipole momentAbstract: In this experiment，we determine the refractive indexes,dielectricconstants and density of 1-butyl alcohol and cyclohexane solution under

2、different concentrations.The data are processed to resolve the linear relation constant by using extrepolation, and then we can get the intrinsic dipole moment of 1-butyl alcohol.Keywords:1-Butyl alcohol，Polarizability，Dipole moment，Refractive index，Dielectric constant1. 前言偶极矩是一个向量，方向规定从负电荷指向正电荷注意，以

3、前化学上曾经约定为相反的方向，但是现在与物理学采用了一致的约定“从负到正”！电偶极矩的SI制单位为Cm，微观物理学中常用的单位为“德拜Debye”，1Debye=3.336E-30Cm。分子的正负电荷中心不重合，可以是这一分子在无外界电场作用下就能表现出的固有属性此时它被称为“极性分子”；也可以是正负电荷中心原本重合的“非极性分子”，在外电场作用下发生了正负电荷中心的相互分离。因此偶极矩大小定量的表现出分子当前极性程度的大小，本实验就是要测定极性分子正丁醇的固有偶极矩大小。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，

4、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。在中等强度的电场下设m=DE内式中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式中E、A分别称为电子极化率和原子极化率。设n为单位体积中分子的个数，根据体积极化的定义（单位体积中分子的偶极矩之矢量和）有P=nm=nDE内为了计算E内，考虑匀强电场中分子受到的静电力：维持匀强电场的电荷所产生的力F1，电介质极化产生的感生电荷产生的力F2，单个分子周围的微小空隙界面上的感生电荷产生的力F3，各

5、分子间的相互作用F4 （忽略）E内=E1+E2+E3=4+4P+=E+式中为极板表面电荷密度。平行板电容器内电量为定值的条件下：=C/C0=E0/E，式中，C分别为电介质的介电常数和电容器的电容；脚标0对应于真空条件下的数值因为E=4-4=E0-4又E0=E可得式中为感生电荷的面电荷密度。体积极化的等价定义为“单位立方体上下表面的电荷与其间距的积”，所以P=1=因此，即可得E内=P=nDE内=，即上式两边同乘分子量M和同除以介质的密度，并注意到nM/=N0，即得这就是Clausius-Mosotti方程。定义“摩尔变形极化度”电场中的分子除了变形极化外还会产生取向极化，即具有固有偶极矩的分子在

6、电场的作用下，会或多或少地转向电场方向。设它对极化率的贡献为PO，总摩尔极化度为P=PD+PO=PE+PA+PO，式中PE、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，由玻尔兹曼分布定律可得：式中为极性分子的固有偶极矩，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度最后得到此式称为Clausius-Mosotti-Debye方程。将电介质置于交变电场中时，其极化情况和电场变化的频率有关，交变电场的频率小于1010Hz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。若P=PE则=n2，n为介质的折射率，这时的摩尔极化度称为摩尔折射度R：因为PA只有PE的10%左右，一般可以略去，或

7、按PE的10%修正。由略去PA则，代入常数值得由计算E内忽略了分子间相互作用项F4，故需用无限稀的P、R，也即所以我们在实验中要测不同浓度下的P、R，再用外推法求P和R。由溶剂1和溶剂2组成的溶液体系，在浓度不很高时，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，即：=1(1+X2)n=n1(1+X2)P=X1P1+X2P2=1(1+X2)式中X1、X2分别为溶剂和溶质的摩尔分数，、P、n；1、1、P1、n1；2、2、P2、n2分别为溶液、溶剂和溶质的介质常数、密度、摩尔极化度和折射率，、为常数。由此可得：这样我们可用交变频率为1000Hz的交流电桥，测量电容池中各浓度下溶液的电容

8、，用此电容除以真空（代之以空气）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n；再用比重瓶和电子天平测出各溶液的密度。由此三组数据作拟合可定出、，再代入上两式算出P和R，最后算出分子的固有偶极矩。2. 实验部分2.1 仪器与试剂阿贝折射仪一台；CCJ1型精密电容测量仪一台；电子天平一台；超级恒温槽一台；干燥器一只；容量瓶（25毫升）6只；电吹风一只；比重瓶1只；电容池1只。正丁醇（分析纯）74.12 g/mol 环已烷（分析纯）84.16 g/mol2.2 实验步骤1) 配制正丁醇的环己烷溶液：对24号容量瓶分别称重；各加入20mL环己烷后再分别称重（1号也加，但不称重）

9、；依次加入0.5mL、1mL、2mL、3mL正丁醇，再次分别称重。注意随时盖好容量瓶的瓶塞；最后溶液要摇匀。2) 测定各溶液的折射率：用阿贝折光仪测量15号溶液的折射率，每种溶液测量三次。3) 测定各溶液为电介质时的电容：先测定以空气（拟真空）为电介质时电容池的电容C0；再依次换用15号溶液作电介质，测定电容池的电容。每组电容数据测定两次；注意更换溶液时电容池和电极要清理干净。4) 测定各溶液的密度：用比重瓶测定15号溶液的密度。使用比重瓶时不要用手直接拿取。3.结果与讨论3.1 实验结果正丁醇的固有偶极矩大小 =1.58 Debye与文献值1.66 Debye比较，相对误差4.8%3.2 误

10、差分析用比重瓶和电子天平测密度的误差较大：正丁醇的环己烷溶液有较强的挥发性，装入比重瓶后，如果仔细的慢慢擦拭瓶口附近溢出的溶液，则毛细管上端的液柱总是会回缩产生一段空气柱。这段空气柱必然带来较大的误差，但是溢出的溶液又不能不擦净，否则也同样会带来较大误差。恒温水浴的温度与室温：本实验中，电容、折射率的数据是在恒温水浴的温度下进行测量的；而配制溶液、测量密度是在接近室温的条件下进行的；最后我选择的水的密度以及温度变量T均为恒温水浴温度下相应的值。这就要求恒温水浴温度尽量接近室温，本实验数据与文献值之间误差的来源也应该在此。本实验测得的溶质的偶极矩和气相测得值之间存在一定偏差，其原因主要在于溶液中

11、溶质分子和溶剂分子以及溶剂和溶质各分子间相互作用的溶剂效应。实验中在使用阿贝折射仪测量时的估读误差大小对结果的准确性有显著影响。因此，使视野清晰，色散影响减小对结果至关重要，但由于人的视觉分辨率的限制，估读误差是不可避免的，所以会对结果产生一定影响。通过多次测量求平均值可减小偶然误差。 正丁醇和环己烷本身极易挥发，在实验中，尽管及时加盖，防止挥发，但仍会有一定的挥发量，会产生误差。参考文献：1 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验M.中国科技大学出版社,2000: 2932.2 付献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.物理化学(第五版)上册M.高等教育出版社,2005:277280.附件：实验数据处理

12、1. 数据记录T:19.0空气电容:5.36 5.34（pF）空瓶质量:11.341 g加水质量:21.457 gTable1样品编号称量法配制样品 /g折射率 n电容 C /pF比重瓶质量 /g空容量瓶+20mL环己烷+正丁醇1-1.42611.42621.42607.477.5119.202242.23357.30257.6011.42531.42521.42507.867.8919.206343.48459.23659.9911.42291.42281.42308.058.0119.210445.78061.64863.2181.42201.42181.42218.198.2119.22

13、0535.66351.26153.6311.42101.42091.42088.718.6919.2312. 数据处理2.1 计算各溶液的摩尔分数浓度Table 2样品编号环己烷重量/g环己烷摩尔数/mol正丁醇重量/g正丁醇摩尔数/mol摩尔分数浓度 X21-0.00000.0000215.0690.1790520.2990.0040340.022033315.7520.1871670.7550.0101860.051614415.8680.1885461.570.0211820.100997515.5980.1853372.370.0319750.1471392.2 计算各浓度溶液的折射率

14、求参数Table 3样品编号折射率 n平均 n11.42611.42621.42601.426121.42531.42521.42501.425231.42291.42281.42301.422941.42201.42181.42211.422051.42101.42091.42081.4209Table 4X20.0000.02200.05160.10100.1471n1.42601.42501.42301.42211.4208Fig 1ParameterValueError-A1.425674.70691E-4B-0.03510.00563-RSDNP-0.963566.72539E-45

15、0.0083k= -0.0351b=1.42567= n1= k / b=-0.0351/1.42567=-0.02462.3 由各浓度溶液做电介质时电容池的电容求参数根据公式：环= C环/ Co = 2.0230.0016 ( t20 ) C环= C环+ Cd Co= Co+ Cd 可得：C环/ Co = 2.0230.0016 ( t20 )= 2.0230.0016 ( 1920 )= 2.02468.70= C环+ Cd5.35= Co+ Cd联立解得：Co=3.27Table 5样品编号电容 C /pF平均 C /pF介电常数17.477.517.491.290527.867.897

16、.881.408338.058.018.031.455748.198.218.201.507658.718.698.701.6606Table 6X20.0000.02200.05160.10100.14711.290521.4082571.4556571.5076451.66055Fig 2ParameterValueError-A1.322670.02672B2.204220.31942-RSDNP-0.969910.0381950.00624k= 2.20422b= 1.32267=1= k / b= 1.66642.4由各浓度溶液的密度求参数根据公式：，其中W是加溶液的容量瓶质量，W水

17、是加水的容量瓶质量，W0是空容量瓶质量W水=21.457W0 =11.341水的密度为0.99843 g/cm3。可得密度如下表所示Table 7样品编号比重瓶质量 /g密度(g/mL)119.2020.775866219.2060.776261319.2100.776655419.2200.777642519.2310.778728Table 8X20.0000.02200.05160.10100.14710.7758660.7762610.7766550.7776420.778728Fig 3ParameterValueError-A0.775798.46693E-5B0.019260.00101-RSDNP-0.995891.20978E-453.16679E-4-k= 0.01926b= 0.77579 =1= k / b= 0.02482.5 计算P、R和固有偶极矩已经求得、，n1、1、1，M1、M2、T各参数，其值分别为：=1.6664，=0.0248，=0.0246；n1=1.42567，1= 1.32267，1=0.77579；M1=84.16，M2=74.12，T=292.15=73.991=21.773=1.58 Debye与测得结果1.71 Debye比较，实验相对误差为(1.66-1.58)/1.66*100%=4.8%