稀溶液法测定偶极矩实验报告汇总

了样品的电容 C 样品和电容池的分布电容 Cx 两部分，即
C'样品 = C 样品 + Cx
⑮
对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 Cx。可以先测出以空气为介质的电容，记 为 C'空 ，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容 C'标 。
C'空 = C 空 + Cx
又因为
C'标 = C 标 + Cx
Pμ
4πNAμ 9kT
②
式中，k 为波兹曼常数；NA 为阿弗加德罗常数；T 为热力学温度；μ 为分子的永久偶
极矩。
在外电场作用下，不论极性分子或非极性分子，都会发生电子云对分子骨架的相对移动，
分子骨架也会发生形变。这称为诱导极化或变形极化。用摩尔诱导极化度 P 诱导来衡量。显
然，P 诱导可分为两项，即电子极化度 Pe 和原子极化度 Pa，因此
频率测定的，测得的极化度为 Pμ+ Pe +Pa。若把频率提高到红外范围，分子已经来不及转向，
此时测得的极化度只有 Pe 和 Pa 的贡献了。所以从按介电常数计算的 P 中减去红外线频率范
围测得的极化，就等于 Pμ，在实验上，若把频率提高到可见光范围，则原子极化也可以忽
略，则在可见光范围：
2
Pμ =P -( Pe +Pa) ≈ P - Pe
1.4162 1.4164 1.4163
1.4136 1.4134 1.4135
1.4117 1.4115 1.4116
空气电容(PF)：4.4 温度（℃）：27.2
环己烷
C1 (PF) C2 (PF) C 平均(PF)
6.60 6.60 6.60
表三：电容测定
1.0ml
6.95 6.90 6.93
3. 由折光度计算电子极化度 Pe 电子极化度可以使用摩尔折光度 R 代替，即
P R e
2
lim
x2 0
R2
n12 n12
1 2
M2
bM1 ρ1
6n12 M 1c
n12
2
2
ρ1
⑬
⑬ 根据测量的溶液折射率 n1,2 作图 n1.2-x2，由斜率求出 c，就可以按照式 计算出 Pe 。
4. 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，那么充电解质的电容器两板间电势差 就会减少。设 C0 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 C0 的比值 ε 称为该电解质的介电常数：
8
c
n1,2 x2 斜率
b
1,2 x2 斜率
n1
环己烷折光率
n12
M1
环己烷分子量
ρ1
环己烷密度
M2
乙酸乙酯分子量
Pe =20.8821
2
x2 0
1 2
M1x1 M 2 x2 ρ1 bx2
x2
x1
ε1 1 ε1 2
M1 ρ1
3aε1
ε1 22
M1 ρ1
ε1 1 ε1 2
M2
bM1 ρ1
⑫
3
⑪ 做 ε1，2-x2 图，根据式⑦由直线测得斜率 a，截距 ε1；作 ρ1,2 -x2 图，并根据式 由直
⑫ P
线测得斜率 b，截距 ρ1，代入式 得 2
0.8960 0.0102 18.4389
24.6042 26.3824 44.0754
1.7782 0.0202 17.6930
3.0ml
24.6490 27.3317 44.2247
2.6827 0.0305 16.8930
4.0ml
30.5122 34.0684 50.2351
3.5562 0.0404 16.1667
⑤
2. 摩尔极化度的计算
摩尔极化度 P 与介电常数 ε 之间的关系式为
P
ε－1 ε＋2
×M ρ
⑥
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。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⑥可以写成：
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。
通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子云的分布和分子的对称性，可以用来 鉴别几何异构体和分子的立体结构等。
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 Pμ 来衡 量。Pμ 与永久偶极矩 μ 的平方成正比，与绝对温度 T 成反比。
五、【数据处理】
1.数据记录表 乙酸乙酯 C4H9OH,分子量:88 环己烷 C6H12,分子量:84
表一：溶液配制
1.0ml
2.0ml
空瓶(g) 空瓶+乙酸乙酯(g) 空瓶+乙酸乙酯+环己烷(g) 溶液中乙酸乙酯质量(g) 溶液中乙酸乙酯尔数(mol) 溶液中环己烷质量(g)
24.4578 25.3538 43.7927
表二：折射率测定
在 28℃时，纯水的理论折射率为 1.3322，实验时室温为 28.0℃。 测得水的折射率为 1.3335，即实际测得值比理论值偏高 0.0013。以下测量数据已校正：
环己烷
1.0ml
2.0ml
3.0ml
4.0ml
nI nII n 平均
1.4216 1.4218 1.4217
1.4194 1.4196 1.4195
C ε = C0
⑭
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
环己烷介电常数：环 2.023 0.0016(t 20)＝2.01148
电容池的分布电容
Cx
C空'
-
C标' C空' 标 1
=2.22
计算溶液的介电常数ε。
真空电容量C0
C标 ' C空' 标 1
=2.18
样品的介电常数溶
C溶' Cx C0
求得各溶液的介电常数
0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml
结构化学实验报告
题目：稀溶液法测定偶极矩
报告作者： 学 号： 班 级： 指导老师： 实验时间：2016 年 11 月 21 日
1
稀溶液法测定偶极矩
一、【实验目的】
1. 掌握溶液法测定偶极矩的主要实验技术 2. 了解偶极矩与分子电性质的关系 3. 测定乙酸乙酯的偶极矩
二、【实验原理】
1．偶极矩与极化度
P1，2
ε1，2－1 ε1，2＋2
×M1x1 M ρ1,2
2
x
2
x1P1 x2P2
⑦
式中，下标 1 表示溶剂；下标 2 表示溶质；x1 表示溶剂的摩尔分数；x2 表示溶质的摩尔
分数； P1 表示溶剂的摩尔极化度； P2 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
P P1
0.0128
(P2 R2 )T
⑲
三、【仪器与试剂】
1.仪器 电容测量仪、25mL 容量瓶，移液管、电子天平、阿贝折射仪、滴管、烧杯、洗耳球、 干燥器等。 2.试剂 乙酸乙酯 分析纯 环己烷 分析纯 丙酮 分析纯
四、【实验步骤】
1. 溶液配制 将四个干燥的容量瓶编号，称量并记录空瓶重量。在空瓶内分别加入 1.0mL、2.0mL、 3.0m、4..0mL 的乙酸乙酯再称重。然后加环己烷至刻度线，称重。操作时应注意防止溶质、 溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽。为此，溶液配好以后应迅速盖上瓶塞，并置于干燥器 中。 2. 折射率的测定 用阿贝折射仪测定环己烷及配制溶液的折射率，注意测定时各样品需加样两次，读取数 据，计算时取平均值。 3. 介电常数的测定 本实验采用环己烷作为标准物质，其介电常数的温度公式为： ε环 = 2.023-0.0016(t-20) 式中，t 为温度，℃。 打开电容测量仪，待读数稳定后，记录空气的电容值。分别测量纯环己烷和配制的 4 个样品溶液的电容，记录测量的数据。每个样品测量两次，计算时取平均值。测量一个样品 后，需用滤纸把残留样品吸干，才能继续性测量。
分子结构可以近似地看成是由电子云和分子骨架（原子核及内层电子）所构成。由于空
间构型的不同，其正负电荷中心可能重合，也可能不重合。前者称为非极性分子，后者称为
极性分子。
1912 年德拜提出“偶极矩”的概念来度量分子极性的大小，其定义式为
→
μ qd
①
→
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，
5
溶液中环己烷摩尔数(mol) 乙酸乙酯摩尔分数 x2 溶液质量(g) 溶液密度(g/ml)
0.2195 0.0443 19.3349 0.7734
0.2106 0.0875 19.4712 0.7788
0.2011 0.1316 19.5757 0.7830
0.1925 0.1735 19.7229 0.7889
环己烷 0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml
n1,2
1.4217 1.4195 1.4163 1.4135 1.4116
x2
0.0000 0.0443 0.0875 0.1316 0.1735
4.0ml 0.1735
6
斜率：-0.0603；截距：1.4218 ；相关系数：0.9942
2.3 计算环己烷的介电常数ε，求出电容池的分布电容 Cx。
ε标
=
C标 C0
≈C标 C空
可得
Cx = C'空
－
C'标－C'空 ε标－1
⑯
C'标－C'空 C0 = ε标－1
⑰
计算出 Cx 、C0 之后，根据式⑥和式⑮可得样品的介电常数：
ε溶
=
C'溶－Cx C0
⑱
5. 偶极矩的计算
P R
通过上述步骤分别计算出 2 、 2 之后，根据式②可得：
4
9k(P2 R2 )T 4N A
密度ρ(g/ml)
x2
0.5ml
0.7734
0.0443
1.0ml
0.7788
0.0875
1.5ml
0.7830
0.1316
2.0ml
0.7889
0.1735
斜率 b=0.1175；截距ρ1=0.7682；相关系数为 0.9950
P
2.6 计算 2 ，计算 Pe 。
P2
3a1 (1 2)2
M1 1
1 1 1 2
M2
bM1 1
a
1,2 x2
斜率
b
1,2 x2
斜率
ε1
环己烷介电常数
M1
环己烷分子量
ρ1
环己烷密度
M2
乙酸乙酯分子量
2.9008 0.1175 2.0307
84 0.7682
88
P 2 =144.9463
Pe
R2
lim
x 20
R2
n12 1 n12 2
M2
bM1 1
6n12 M 1c (n12 2)2 1
0 1
ε1－1 ε1＋2
×M1 ρ1
⑧
P P2
P1，2－x1P x2
P1，2 x1 x2
0 1
⑨
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
ε1，2 ε1 ax2
⑩
ρ1,2 ρ1 bx2
⑪
因此
P 2
lim
x2 0
P2
ε1 ax2
lim
wenku.baidu.com
ε1
ax
2.0ml
7.20 7.20 7.20
3.0ml
7.50 7.40 7.45
4.0ml
7.75 7.75 7.75
2.数据处理 2.1 溶液摩尔分数 x 的计算
乙酸乙酯摩尔分数 x2
1.0ml 0.0443
2.0ml 0.0875
3.0ml 0.1316
2.2 绘制折射率 n1,2 和溶液摩尔分数 x2 的工作曲线，并求出斜率 c。
介电常数 ε
2.161 2.287 2.402 2.540
x2
0.0443 0.0875 0.1316 0.1735
2.4 绘制ε-x2 工作曲线，由直线测得斜率 a，截距ε1。
根据最小二乘法求得斜率：2.9008；截距：2.0307；相关系数：0.9981
7
2.5 绘制作ρ1,2 -x2 工作曲线，由直线测得斜率 b，截距ρ1 。
P 诱导 = Pe + Pa
③
如果外电场是交变场，极性分子的极化情况则与交变场的频率有关。当处于频率小于
1010HZ 的低频电场或静电场中，极性分子所产生的摩尔极化度 P 是转向极化、电子极化和原 子极化的总和。
P = Pμ+ Pe +Pa
④
如何从测得的摩尔极化度 P 中分别出 Pμ 的贡献呢？介电常数实际上是在 107HZ 一下的