溶液法测偶极矩的实验误差的主要来源以及改进方法
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发布时间：2022-04-21 02:29
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时间：2022-06-17 08:45
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。
电容的测定方法很多，常用的有电桥法，拍频法和谐振电路法等。测定分子偶极矩的方法除溶液法外，还有温度法、折射法等。测定一系列温度下的P值，以P对1/T作图，由直线斜率即可求得分子的偶极矩。该法只适用于能在较大温度范围内测定介电常数ε和密度 ρ的体系。
分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子。分子极性的大小用偶极矩来衡量。
相关运用
分子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。偶极矩是物理学中的重要性质，常用来判断分子的空间构型。可以判断分子内原子排列的几何形状，化学键之间的角度，而且在有机化学理论上也很重要。
以上内容参考：百度百科-偶极矩
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时间：2022-06-17 08:45
1．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。
2．电容的测定方法很多，常用的有电桥法，拍频法和谐振电路法等。对于气体和电导很小的液体以拍频法为好，有相当电导的液体则用谐振电路法较为合适，介于它们之间的用电桥法较为理想。相对而言，电桥法的精确度不及拍频法和谐振法，但电桥法的设备简单，价格便宜。
3．测定分子偶极矩的方法除溶液法外，还有温度法、折射法等。测定一系列温度下的P值，以P对1/T作图，由直线斜率即可求得分子的偶极矩。该法只适用于能在较大温度范围内测定介电常数ε和密度 ρ的体系。
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时间：2022-06-17 08:46
一、实验目的
1．掌握溶液法测定偶极矩的原理和方法，并掌握仪器的使用方法。
2．测定正丁醇的偶极矩。
二、基本原理
分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子。分子极性的大小用偶极矩来衡量。偶极矩的定义是正负电荷中心间的距离d与电荷量q的乘积，即：
（19.1）
偶极矩是向量，其方向规定是从正电荷到负电荷。由于分子中原子核间距的数量级是，电子电量的数量级是，因此偶极矩的数量级是。
通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子密度的分布，分子的对称性，还可以用来判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。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P转向来衡量。?
P转向与永久偶极矩的值成正比，与绝对温度T成反比。
(19.2)
式中： K为玻兹曼常数， N为阿伏加德罗常数。?
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。P诱导又可分为两项，即电子极化度P电子和原子极化度P原子， P诱导与外电场强度成正比，与温度无关。?
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。当处于频率小于的低频电场或静电场时，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。?
(19.3)
当频率增加到的中频(红外频率)时，电子的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场方向定向，故P转向=0，此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度。当交变电场的频率进一步增加到＞1015 s-1的高频(可见光和紫外频率)时，极向分子的转向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化。此时极性分子的摩尔极化度等于电子极化度P电子。?
因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度 ，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度P诱导，两者相减得到极性分子摩尔转向极化度P转向，然后代入(16-2)式就可算出极性分子的永久偶极矩来。?
克劳修斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式：?
(19.4)
式中， M为被测物质的分子量； 为该物质在 下的密度；ε可以通过实验测定。?
但(16-4)式是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不太低的气相体系，对某些物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来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的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度，就可以看作为(16-4)式中的P。海台斯纳特首先利用稀释溶液的近似公式。?
(19.5)
(19.6)
再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度的公式：?
(19.7)
上述(16-5)、(16-6)、(16-7)式中，是溶液的介电常数和密度；M2、 X2 是溶质的分子量和摩尔分子数；ε1、p1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和分子量；α、β是分别与 直线斜率有关的常数。?
上面已经提到，在红外频率的电场下，可以测得极性分子摩尔诱导极化度 。但是在实验上由于条件的*，很难做到这一点。所以一般总是在高频电场下测定极性分子的电子极化度P电子 。?
根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常数ε与折光率n的关系为：
(19.8)
习惯上用摩尔折射度R2来表示高频区测得的极化度，而此时，P转向=0 ，P原子=0 .
则 (19.9)
在稀溶液情况下，还存在近似公式：?
(19.10)
同样，从(16-9)式可以推导得无限稀释时，溶质的摩尔折射度的公式：?
(19.11)
上述(16-10)、(16-11)式中， N溶是溶液的折射率， n1是溶剂的折射率，γ是与直线斜率有关的常数。?
考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5%～15%，而且P转向又比P原子大得多，故常常忽视原子极化度。?
从(16-2)、(16-3)、(16-7)和(16-11)式可得：
(19.12)
上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电常数、密度、折射率联系起来，分子的永久偶极矩就可用下面简化式计算：
(19.13)
在某种情况下，若需要考虑P原子影响时，只需对作部分修正就行了。
分子的偶极矩可有几种方法获得，但较常用的方法是从分子的介电常数计算得到。在测量介电常数时，将待测物置于电容池的两极板间。若待测物质的分子具有偶极，在电场的作用下，它们将发生定向排列，以降低电场强度，并使电容增加。
（19.14）
式中Co--两平板电极间的真空电容；C--两平板电极间装有待测物质时的电容。其比值称为待测物质的介电常数。物质的偶极矩越大，待测物与电场的相互作用越大，其介电常数越大。由于电场会使分子发生变形或极化而产生附加偶极矩，使得介电常数并不与电场强度成正比关系。所以，测得的介电常数除与待测物的密度等因素有关外，还与分子的永久偶极矩和分子的极化两个因素有关。在电容池的极板面积和极板间距离一定时，极板间的物质量越多，待测物分子与电场的相互作用越大，结果介电常数越大。对溶液，极性分子的浓度越稀，介电常数越低。对同种物质，气体的介电常数小于液体的介电常数。对大多数测量而言，可忽略空气介电常数与真空介电常数的差别，用空气电容（C空）代替真空电容（Co）。
本实验是通过测定一系列溶液的密度和这些溶液在无线电波电场中的介电常数，求得总摩尔极化度，同时测定其在光波电场中摩尔折射率，并求得摩尔极射度，从两者之差求算正丁醇的偶极矩。
三、仪器及试剂
仪器：JD-1型介电常数测试仪； 超级恒温油浴；电吹风；阿贝折光仪；容量瓶（100ml 6只）；滴管9支；
试剂：环己烷（AR）；正丁醇（AR）。
四、操作步骤
1．配制溶液：以正丁醇为溶质，配制摩尔分数约为0.05、0.08、0.10、0.15、0.2和0.17的正丁醇—环己烷溶液各30 ml，为防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水蒸气，溶液配好后应立即塞紧，贴好标签，注明浓度。
2．密度的测定：称重6只干燥的10 ml容量瓶，装蒸馏水至刻度再称重。由两次称重之差及同温度下水的密度算出容量瓶的实际体积。倾去此6只容量瓶中的水，贴上标签，干燥后再称重，然后分别将6个实验溶液置于这6只容量瓶中并称重。由各容量瓶中溶液的质量除以相应容量瓶的实际体积，可得各溶液的密度。
3．折射率的测定：在298.2± 0.1 K用阿贝折光仪测定正丁醇的折射率。测定时，加样三次，每加一次样读数三次，如果九次数据接近，取其平均值作为正丁醇的折射率。
4．介电常数的测定：本实验采用频率法测定液体电解质的介电常数，实际上就是电解质振荡频率f的测定。介电常数测试仪的工作原理和使用方法详见本丛书第一分册的仪器部分。
依据下式可计算液体电解质的介电常数：
(19.15)
式中f1和f2分别为开关置于C1 、C2时空气和待测液体的频率值。
五、结果与讨论
1．记录实验时的平均室温、平均气压和恒温浴的温度。
2．将实验数据列表如下：
表19.1 实验数据纪录表
3．作ε溶液对X2图，求出直线截距 和斜率α。
4．作ρ溶液对X2图，求出直线截距 和斜率β。
5．作n溶液对X2图，求出直线截距n1和斜率γ。
6．用式（19.7）计算出值，用式（19.11）计算出值。
7．式（19.13）计算正丁醇的偶极矩（ ），并与文献值比较。
六、注意事项
1．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。
2．电容的测定方法很多，常用的有电桥法，拍频法和谐振电路法等。对于气体和电导很小的液体以拍频法为好，有相当电导的液体则用谐振电路法较为合适，介于它们之间的用电桥法较为理想。相对而言，电桥法的精确度不及拍频法和谐振法，但电桥法的设备简单，价格便宜。
3．测定分子偶极矩的方法除溶液法外，还有温度法、折射法等。测定一系列温度下的P值，以P对1/T作图，由直线斜率即可求得分子的偶极矩。该法只适用于能在较大温度范围内测定介电常数ε和密度 ρ的体系。
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时间：2022-06-17 08:47
一、实验目的
1．掌握溶液法测定偶极矩的原理和方法，并掌握仪器的使用方法。
2．测定正丁醇的偶极矩。
二、基本原理
分子呈电中性，但因空间构型的不同，正负电荷中心可能重合，也可能不重合，前者为非极性分子，后者称为极性分子。分子极性的大小用偶极矩来衡量。偶极矩的定义是正负电荷中心间的距离d与电荷量q的乘积，即：
（19.1）
偶极矩是向量，其方向规定是从正电荷到负电荷。由于分子中原子核间距的数量级是，电子电量的数量级是，因此偶极矩的数量级是。
通过偶极矩的测定，可以了解分子结构中有关电子密度的分布，分子的对称性，还可以用来判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。这时我们称这些分子被极化了。极化的程度可用摩尔转向极化度P转向来衡量。�
P转向与永久偶极矩的值成正比，与绝对温度T成反比。
(19.2)
式中： K为玻兹曼常数， N为阿伏加德罗常数。�
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。P诱导又可分为两项，即电子极化度P电子和原子极化度P原子， P诱导与外电场强度成正比，与温度无关。�
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。当处于频率小于的低频电场或静电场时，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。�
(19.3)
当频率增加到的中频(红外频率)时，电子的交变周期小于分子偶极矩的松弛时间，极性分子的转向运动跟不上电场的变化，即极性分子来不及沿电场方向定向，故P转向=0，此时极性分子的摩尔极化度等于摩尔诱导极化度。当交变电场的频率进一步增加到＞1015 s-1的高频(可见光和紫外频率)时，极向分子的转向运动和分子骨架变形都跟不上电场的变化。此时极性分子的摩尔极化度等于电子极化度P电子。�
因此，原则上只要在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度 ，在红外频率下测得极性分子的摩尔诱导极化度P诱导，两者相减得到极性分子摩尔转向极化度P转向，然后代入(16-2)式就可算出极性分子的永久偶极矩来。�
克劳修斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式：�
(19.4)
式中， M为被测物质的分子量； 为该物质在 下的密度；ε可以通过实验测定。�
但(16-4)式是假定分子与分子间无相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不太低的气相体系，对某些物质甚至根本无法获得气相状态。因此后来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的溶液中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中溶质的摩尔极化度，就可以看作为(16-4)式中的P。海台斯纳特首先利用稀释溶液的近似公式。�
(19.5)
(19.6)
再根据溶液的加和性，推导出无限稀释时溶质摩尔极化度的公式：�
(19.7)
上述(16-5)、(16-6)、(16-7)式中，是溶液的介电常数和密度；M2、 X2 是溶质的分子量和摩尔分子数；ε1、p1、M1分别是溶剂的介电常数、密度和分子量；α、β是分别与 直线斜率有关的常数。�
上面已经提到，在红外频率的电场下，可以测得极性分子摩尔诱导极化度 。但是在实验上由于条件的*，很难做到这一点。所以一般总是在高频电场下测定极性分子的电子极化度P电子 。�
根据光的电磁理论，在同一频率的高频电场作用下，透明物质的介电常数ε与折光率n的关系为：
(19.8)
习惯上用摩尔折射度R2来表示高频区测得的极化度，而此时，P转向=0 ，P原子=0 .
则 (19.9)
在稀溶液情况下，还存在近似公式：�
(19.10)
同样，从(16-9)式可以推导得无限稀释时，溶质的摩尔折射度的公式：�
(19.11)
上述(16-10)、(16-11)式中， N溶是溶液的折射率， n1是溶剂的折射率，γ是与直线斜率有关的常数。�
考虑到原子极化度通常只有电子极化度的5%～15%，而且P转向又比P原子大得多，故常常忽视原子极化度。�
从(16-2)、(16-3)、(16-7)和(16-11)式可得：
(19.12)
上式把物质分子的微观性质偶极矩和它的宏观性质介电常数、密度、折射率联系起来，分子的永久偶极矩就可用下面简化式计算：
(19.13)
在某种情况下，若需要考虑P原子影响时，只需对作部分修正就行了。
分子的偶极矩可有几种方法获得，但较常用的方法是从分子的介电常数计算得到。在测量介电常数时，将待测物置于电容池的两极板间。若待测物质的分子具有偶极，在电场的作用下，它们将发生定向排列，以降低电场强度，并使电容增加。
（19.14）
式中Co--两平板电极间的真空电容；C--两平板电极间装有待测物质时的电容。其比值称为待测物质的介电常数。物质的偶极矩越大，待测物与电场的相互作用越大，其介电常数越大。由于电场会使分子发生变形或极化而产生附加偶极矩，使得介电常数并不与电场强度成正比关系。所以，测得的介电常数除与待测物的密度等因素有关外，还与分子的永久偶极矩和分子的极化两个因素有关。在电容池的极板面积和极板间距离一定时，极板间的物质量越多，待测物分子与电场的相互作用越大，结果介电常数越大。对溶液，极性分子的浓度越稀，介电常数越低。对同种物质，气体的介电常数小于液体的介电常数。对大多数测量而言，可忽略空气介电常数与真空介电常数的差别，用空气电容（C空）代替真空电容（Co）。
本实验是通过测定一系列溶液的密度和这些溶液在无线电波电场中的介电常数，求得总摩尔极化度，同时测定其在光波电场中摩尔折射率，并求得摩尔极射度，从两者之差求算正丁醇的偶极矩。
三、仪器及试剂
仪器：JD-1型介电常数测试仪； 超级恒温油浴；电吹风；阿贝折光仪；容量瓶（100ml 6只）；滴管9支；
试剂：环己烷（AR）；正丁醇（AR）。
四、操作步骤
1．配制溶液：以正丁醇为溶质，配制摩尔分数约为0.05、0.08、0.10、0.15、0.2和0.17的正丁醇—环己烷溶液各30 ml，为防止溶质、溶剂的挥发以及吸收极性较大的水蒸气，溶液配好后应立即塞紧，贴好标签，注明浓度。
2．密度的测定：称重6只干燥的10 ml容量瓶，装蒸馏水至刻度再称重。由两次称重之差及同温度下水的密度算出容量瓶的实际体积。倾去此6只容量瓶中的水，贴上标签，干燥后再称重，然后分别将6个实验溶液置于这6只容量瓶中并称重。由各容量瓶中溶液的质量除以相应容量瓶的实际体积，可得各溶液的密度。
3．折射率的测定：在298.2± 0.1 K用阿贝折光仪测定正丁醇的折射率。测定时，加样三次，每加一次样读数三次，如果九次数据接近，取其平均值作为正丁醇的折射率。
4．介电常数的测定：本实验采用频率法测定液体电解质的介电常数，实际上就是电解质振荡频率f的测定。介电常数测试仪的工作原理和使用方法详见本丛书第一分册的仪器部分。
依据下式可计算液体电解质的介电常数：
(19.15)
式中f1和f2分别为开关置于C1 、C2时空气和待测液体的频率值。
五、结果与讨论
1．记录实验时的平均室温、平均气压和恒温浴的温度。
2．将实验数据列表如下：
表19.1 实验数据纪录表
3．作ε溶液对X2图，求出直线截距 和斜率α。
4．作ρ溶液对X2图，求出直线截距 和斜率β。
5．作n溶液对X2图，求出直线截距n1和斜率γ。
6．用式（19.7）计算出值，用式（19.11）计算出值。
7．式（19.13）计算正丁醇的偶极矩（ ），并与文献值比较。
六、注意事项
1．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。
2．电容的测定方法很多，常用的有电桥法，拍频法和谐振电路法等。对于气体和电导很小的液体以拍频法为好，有相当电导的液体则用谐振电路法较为合适，介于它们之间的用电桥法较为理想。相对而言，电桥法的精确度不及拍频法和谐振法，但电桥法的设备简单，价格便宜。
3．测定分子偶极矩的方法除溶液法外，还有温度法、折射法等。测定一系列温度下的P值，以P对1/T作图，由直线斜率即可求得分子的偶极矩。该法只适用于能在较大温度范围内测定介电常数ε和密度 ρ的体系。
