溶液法測定極性分子的偶極矩

孟曉燕

(上饒師范學(xué)院，江西 上饒 334001)

溶液法測定極性分子的偶極矩

孟曉燕

(上饒師范學(xué)院，江西 上饒 334001)

本文主要測定丙酮、乙醚、正丁醇等極性溶質(zhì)的偶極矩，用四氯化碳作非極性溶劑。通過測量溶液的折光率、介電常數(shù)和密度隨溶質(zhì)摩爾分數(shù)的變化，從而確定線性關(guān)系系數(shù)，求得極性溶質(zhì)的偶極矩。

溶液法 介電常數(shù) 折光率 密度 偶極矩

偶極矩是物理化學(xué)實驗研究的一個課題，它對判斷分子的鍵構(gòu)型；考察鍵的旋轉(zhuǎn)，研究分子的電性以及計算其它物理化學(xué)性質(zhì)等方面起著重要的作用。用溶液法測定，具有操作簡便，耗樣少，低毒性，速度快，實驗數(shù)據(jù)線性好和結(jié)果準確度高等特點。所以采用溶液法測定極性物質(zhì)的偶極矩[1]。

本文主要測量極性溶質(zhì)丙酮、乙酸乙酯、乙醚、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇的偶極矩，溶劑為非極性的四氯化碳。

1.實驗原理

1.1 偶極矩與極化度

分子呈電中性，正負電荷中心重合的，稱為非極性分子；不重合的，稱為極性分子。分子極性的大小用偶極矩μ來度量，其定義式為：

μ=q·d

(1)

μ的SI單位是庫·米(C·m)，常用德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。

極化的程度用摩爾極化度P來度量[2]。

P=P轉(zhuǎn)向+P電子+P原子

(2)

(3)

由于P原子數(shù)值很小，?？珊雎裕?1-2)寫成：

P=P轉(zhuǎn)向+P電子

(4)

在ν<1010s-1的低頻電場或靜電場中可測得P；在ν≈1015s-1的高頻電場中，因P轉(zhuǎn)向=0，P原子=0，則測得的就是P電子，再由式(4)求得P轉(zhuǎn)向，由式(3)計算出μ。

通過測定出極性分子的偶極矩，可知分子中電子云的分布、分子對稱性，并判斷分子的立體結(jié)構(gòu)及幾何異構(gòu)體[3]。

1.2 溶液法測定偶極矩

1.2.1 極化度的測定

克勞修斯、莫索蒂和徳拜從電磁理論得到了摩爾極化度P與介電常數(shù)ε之間的關(guān)系式

P=[(ε-1)M]/[(ε+2)ρ]

(5)

式中M為被測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，ρ是該物質(zhì)的密度，ε可通過實驗測定。

(6)

通過稀溶液的近似公式求得：

ε溶=ε1(1+αx2)

(7)

ρ溶=ρ1(1+βx2)

(8)

無限稀釋時，溶質(zhì)的摩爾折射度：

(9)

由稀溶液的近似公式求得[4]：

n溶=n1(1+γx2)

(10)

分子的偶極矩μ按下式計算[5]：

(11)

以上公式中α、β、γ為常數(shù)，1代表溶劑，2代表溶質(zhì)，ε溶、ρ溶、n溶為別為溶液的介電常數(shù)、密度、折光率，M為摩爾質(zhì)量。

1.2.2 介電常數(shù)的測定

介電常數(shù)的測定是通過測量電容和計算得到的。本文采用電橋法測量電容。

電容池兩極真空時和充滿某物質(zhì)時電容分別為C0和Cx，則該物質(zhì)的介電常數(shù)ε與電容的關(guān)系：

ε=εx/ε0=Cx/C0

(12)

由于空氣的電容非常接近于C0，故(12)式改寫成ε=Cx/C空。

(13)

(14)

(15)

由式(14)和(15)式可得：

(16)

將Cd代入(13)和(14)式即可求得CX和C空，即可計算待測溶液的介電常數(shù)。

已知CCl4的介電常數(shù)ε標與攝氏度t的關(guān)系式[6]如下，

ε標=2.238-0.0020(t-20)

(17)

2.實驗部分

2.1 儀器與試劑

儀器：小電容測量儀；阿貝折射儀；電子天平；電吹風；容量瓶等。

試劑：乙酸乙酯(AR)；丙酮(AR)；乙醇(AR)；異丙醇(AR)；正丙醇(AR)；乙醚(AR)；正丁醇(AR)；四氯化碳(AR)。

2.2 實驗步驟

2.2.1 溶液的配制

先用電子天平稱空容量瓶的質(zhì)量為m1；用移液管分別量取溶質(zhì)0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL、2.5mL、3.0mL、3.5mL、4.0mL、4.5mL于25mL容量瓶中，分別稱得質(zhì)量為m2；再用四氯化碳溶劑定容，稱得總質(zhì)量為m3。操作時應(yīng)注意防止溶質(zhì)的揮發(fā)、溶劑的揮發(fā)和吸收水汽，因此溶液配好后，應(yīng)立即蓋上容量瓶蓋。

2.2.2 折光率的測定

用阿貝折射儀測出溶劑和溶液的折光率。

2.2.3 介質(zhì)常數(shù)的測定

先測定空氣(擬真空)的電容，再依次測定溶劑、溶液的電容。注意更換溶液時電容池和電極要用電吹風吹干。

2.2.4 溶液密度的測定

用電子天平稱量空稱量瓶的質(zhì)量為m0，依次用移液管量取5mL溶液加入稱量瓶中，稱得質(zhì)量為m4；再取5mL蒸餾水，稱得質(zhì)量為m水。按照公式：

ρ溶=[(m4-m0)/(m水-m0)]×ρ(水)，計算溶液的密度ρ溶。式中ρ(水)為在室溫的密度，可由表查的。

3．數(shù)據(jù)處理

3.1 測量丙酮的偶極矩

第一組數(shù)據(jù)，用移液管分別量取丙酮0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL、2.5mL、3.0mL、3.5mL、4.0mL、4.5mL于25mL容量瓶中，用四氯化碳定容，并依次測其質(zhì)量分別為m1，m2，m3；然后分別測定溶劑和溶液的折光率、電容；最后用稱量瓶稱5mL溶液的質(zhì)量為m4。m0=11.7111g，m水=16.6733g，t=23.7℃，C空氣=4.49pF，CCCl4=7.82pF，n1=1.4580。數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果如表1所示：

處理丙酮-四氯化碳的數(shù)據(jù)，計算丙酮的偶極矩：

(1)計算ε標

根據(jù)公式ε標=2.238-0.002(t-20)，得：

ε1=ε標=2238-0.002(23.7-20)=2.2306

(2)計算Cd

(3)計算不同摩爾分數(shù)溶液對應(yīng)的ε溶

ε溶=εx/ε0=C/C0=(C溶液-Cd)/(C空氣-Cd)

(4)計算不同摩爾分數(shù)溶液對應(yīng)的密度ρ溶

ρ溶=[(m4-m0)/(m水-m0)]×ρ(水)，

ρ(水)=0.99729g·mL-1

(5)計算α，β，γ求出丙酮的偶極矩：

n丙酮=(m2-m1)/M丙酮；

n(CCl4)=(m3-m2)/MCCl4

x2=n丙酮/[n(丙酮)+n(CCl4)]

運用上述公式，計算所得數(shù)據(jù)如表2：

表2 計算所得數(shù)據(jù)

根據(jù)公式ε溶=ε1(1+αx2)得：

ε溶/ε1=1+αx2，

α=11.15794/2.2306=5.0022

根據(jù)公式ρ溶=ρ1(1+βx2)得：

ρ溶/ρ1=1+βx2，

β=-0.5879/1.5920=-0.3705

根據(jù)公式n溶=n1(1+γx2)得：

n溶/n1=1+γx2，

γ=-0.06391/1.4580=-0.04383

已知四氯化碳的分子量153.84g·mol-1；丙酮的

分子量58g·mol-1；四氯化碳的密度1.5920g·mL-1。

將以上數(shù)據(jù)代入公式：

將數(shù)據(jù)代入公式：

做平行實驗，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果：α=5.0052，β=-0.4181，γ=-0.04383，并算得丙酮偶極矩μ2=2.97D。

3.2 測量其余樣品的偶極矩

實驗方法及數(shù)據(jù)處理如上，得到乙醚、乙醇等的偶極矩如下表3所示：

表3 偶極矩

4．小結(jié)

(1)本文用溶液法測出了丙酮、乙醚、正丁醇等極性分子的偶極矩。結(jié)果表明，用溶液法測出的偶極矩比文獻值偏大。原因可能是實驗原理中要求分子與分子之間無相互作用，且溶液為無限稀釋的。本文采用的是稀溶液，分子與分子間必有相互作用，所以，結(jié)果偏大。

(2)本文采用用稱量瓶稱質(zhì)量求密度，代替了用比重管稱質(zhì)量。一是用比重管裝樣時，每次看得刻度不一致，略向上仰的傾斜度不一致，都會導(dǎo)致體積不相等；二是因比重管的兩端為毛細管，溶液又是易揮發(fā)性的，質(zhì)量測得不是很準確；三是比重管裝樣時要求無氣泡，增加了難度且耗時較多。

[1]徐光憲，王祥云.物質(zhì)結(jié)構(gòu)[M].北京：高等教育出版社，1987：446.

[2]復(fù)旦大學(xué)等編.物理化學(xué)實驗 第三版[M].北京：高等教育出版社，2010：164-169.

[3]王成瑞.溶液中測定分子偶極矩的幾種計算方程[J].化學(xué)通報，1981，第1卷：5-9.

[4]北京大學(xué)等編.物理化學(xué)實驗[M].北京：北京大學(xué)出版社，1995：225-232.

[5]洪惠嬋，黃鐘奇.物理化學(xué)實驗[M].廣州：中山大學(xué)出版社，1993：218-224.

[6]何玉鄂，李浩鈞，羅開榮.溶液法測定分子偶極矩的簡單處理[J].化學(xué)通報.1989，第4期，第1卷：2-9.[7]夏玉宇.化學(xué)實驗室手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：102.

Dipole moment measure with solution method

MENG Xiao-yan

(DepartmentofchemistryShangraoNormalcollege.JiangxiShangrao334000)

This paper mainly measured polar solute aetone，ether，n-butyl alcohol etc.dipole moment，use carbon tetrachloride as nonpolar solvent.Through the determination of the refractive index of the solution，the dielectric constant and density is with solute mole fraction changes，thus determine the linear relationship between the coeffcients，obtained the solute dipole moment.

solution method refractive index dielectric constant density monent of dipole