溶液法测定极性分子的偶极矩

孟晓燕

(上饶师范学院，江西 上饶 334001)

溶液法测定极性分子的偶极矩

孟晓燕

(上饶师范学院，江西 上饶 334001)

本文主要测定丙酮、乙醚、正丁醇等极性溶质的偶极矩，用四氯化碳作非极性溶剂。通过测量溶液的折光率、介电常数和密度随溶质摩尔分数的变化，从而确定线性关系系数，求得极性溶质的偶极矩。

溶液法 介电常数 折光率 密度 偶极矩

偶极矩是物理化学实验研究的一个课题，它对判断分子的键构型；考察键的旋转，研究分子的电性以及计算其它物理化学性质等方面起着重要的作用。用溶液法测定，具有操作简便，耗样少，低毒性，速度快，实验数据线性好和结果准确度高等特点。所以采用溶液法测定极性物质的偶极矩[1]。

本文主要测量极性溶质丙酮、乙酸乙酯、乙醚、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇的偶极矩，溶剂为非极性的四氯化碳。

1.实验原理

1.1 偶极矩与极化度

分子呈电中性，正负电荷中心重合的，称为非极性分子；不重合的，称为极性分子。分子极性的大小用偶极矩μ来度量，其定义式为：

μ=q·d

(1)

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

极化的程度用摩尔极化度P来度量[2]。

P=P转向+P电子+P原子

(2)

(3)

由于P原子数值很小，常可忽略，式(1-2)写成：

P=P转向+P电子

(4)

在ν<1010s-1的低频电场或静电场中可测得P；在ν≈1015s-1的高频电场中，因P转向=0，P原子=0，则测得的就是P电子，再由式(4)求得P转向，由式(3)计算出μ。

通过测定出极性分子的偶极矩，可知分子中电子云的分布、分子对称性，并判断分子的立体结构及几何异构体[3]。

1.2 溶液法测定偶极矩

1.2.1 极化度的测定

克劳修斯、莫索蒂和徳拜从电磁理论得到了摩尔极化度P与介电常数ε之间的关系式

P=[(ε-1)M]/[(ε+2)ρ]

(5)

式中M为被测物质的摩尔质量，ρ是该物质的密度，ε可通过实验测定。

(6)

通过稀溶液的近似公式求得：

ε溶=ε1(1+αx2)

(7)

ρ溶=ρ1(1+βx2)

(8)

无限稀释时，溶质的摩尔折射度：

(9)

由稀溶液的近似公式求得[4]：

n溶=n1(1+γx2)

(10)

分子的偶极矩μ按下式计算[5]：

(11)

以上公式中α、β、γ为常数，1代表溶剂，2代表溶质，ε溶、ρ溶、n溶为别为溶液的介电常数、密度、折光率，M为摩尔质量。

1.2.2 介电常数的测定

介电常数的测定是通过测量电容和计算得到的。本文采用电桥法测量电容。

电容池两极真空时和充满某物质时电容分别为C0和Cx，则该物质的介电常数ε与电容的关系：

ε=εx/ε0=Cx/C0

(12)

由于空气的电容非常接近于C0，故(12)式改写成ε=Cx/C空。

(13)

(14)

(15)

由式(14)和(15)式可得：

(16)

将Cd代入(13)和(14)式即可求得CX和C空，即可计算待测溶液的介电常数。

已知CCl4的介电常数ε标与摄氏度t的关系式[6]如下，

ε标=2.238-0.0020(t-20)

(17)

2.实验部分

2.1 仪器与试剂

仪器：小电容测量仪；阿贝折射仪；电子天平；电吹风；容量瓶等。

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

2.2 实验步骤

2.2.1 溶液的配制

先用电子天平称空容量瓶的质量为m1；用移液管分别量取溶质0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL、2.5mL、3.0mL、3.5mL、4.0mL、4.5mL于25mL容量瓶中，分别称得质量为m2；再用四氯化碳溶剂定容，称得总质量为m3。操作时应注意防止溶质的挥发、溶剂的挥发和吸收水汽，因此溶液配好后，应立即盖上容量瓶盖。

2.2.2 折光率的测定

用阿贝折射仪测出溶剂和溶液的折光率。

2.2.3 介质常数的测定

先测定空气(拟真空)的电容，再依次测定溶剂、溶液的电容。注意更换溶液时电容池和电极要用电吹风吹干。

2.2.4 溶液密度的测定

用电子天平称量空称量瓶的质量为m0，依次用移液管量取5mL溶液加入称量瓶中，称得质量为m4；再取5mL蒸馏水，称得质量为m水。按照公式：

ρ溶=[(m4-m0)/(m水-m0)]×ρ(水)，计算溶液的密度ρ溶。式中ρ(水)为在室温的密度，可由表查的。

3．数据处理

3.1 测量丙酮的偶极矩

第一组数据，用移液管分别量取丙酮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，并依次测其质量分别为m1，m2，m3；然后分别测定溶剂和溶液的折光率、电容；最后用称量瓶称5mL溶液的质量为m4。m0=11.7111g，m水=16.6733g，t=23.7℃，C空气=4.49pF，CCCl4=7.82pF，n1=1.4580。数据记录及计算结果如表1所示：

处理丙酮-四氯化碳的数据，计算丙酮的偶极矩：

(1)计算ε标

根据公式ε标=2.238-0.002(t-20)，得：

ε1=ε标=2238-0.002(23.7-20)=2.2306

(2)计算Cd

(3)计算不同摩尔分数溶液对应的ε溶

ε溶=εx/ε0=C/C0=(C溶液-Cd)/(C空气-Cd)

(4)计算不同摩尔分数溶液对应的密度ρ溶

ρ溶=[(m4-m0)/(m水-m0)]×ρ(水)，

ρ(水)=0.99729g·mL-1

(5)计算α，β，γ求出丙酮的偶极矩：

n丙酮=(m2-m1)/M丙酮；

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

x2=n丙酮/[n(丙酮)+n(CCl4)]

运用上述公式，计算所得数据如表2：

表2 计算所得数据

根据公式ε溶=ε1(1+αx2)得：

ε溶/ε1=1+αx2，

α=11.15794/2.2306=5.0022

根据公式ρ溶=ρ1(1+βx2)得：

ρ溶/ρ1=1+βx2，

β=-0.5879/1.5920=-0.3705

根据公式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。

将以上数据代入公式：

将数据代入公式：

做平行实验，数据处理的结果：α=5.0052，β=-0.4181，γ=-0.04383，并算得丙酮偶极矩μ2=2.97D。

3.2 测量其余样品的偶极矩

实验方法及数据处理如上，得到乙醚、乙醇等的偶极矩如下表3所示：

表3 偶极矩

4．小结

(1)本文用溶液法测出了丙酮、乙醚、正丁醇等极性分子的偶极矩。结果表明，用溶液法测出的偶极矩比文献值偏大。原因可能是实验原理中要求分子与分子之间无相互作用，且溶液为无限稀释的。本文采用的是稀溶液，分子与分子间必有相互作用，所以，结果偏大。

(2)本文采用用称量瓶称质量求密度，代替了用比重管称质量。一是用比重管装样时，每次看得刻度不一致，略向上仰的倾斜度不一致，都会导致体积不相等；二是因比重管的两端为毛细管，溶液又是易挥发性的，质量测得不是很准确；三是比重管装样时要求无气泡，增加了难度且耗时较多。

[1]徐光宪，王祥云.物质结构[M].北京：高等教育出版社，1987：446.

[2]复旦大学等编.物理化学实验 第三版[M].北京：高等教育出版社，2010：164-169.

[3]王成瑞.溶液中测定分子偶极矩的几种计算方程[J].化学通报，1981，第1卷：5-9.

[4]北京大学等编.物理化学实验[M].北京：北京大学出版社，1995：225-232.

[5]洪惠婵，黄钟奇.物理化学实验[M].广州：中山大学出版社，1993：218-224.

[6]何玉鄂，李浩钧，罗开荣.溶液法测定分子偶极矩的简单处理[J].化学通报.1989，第4期，第1卷：2-9.[7]夏玉宇.化学实验室手册[M].北京：化学工业出版社，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