实验计算苯的键长

一、综述
现代物理方法（射线法、光谱法、偶极距的测定）表明，苯分子是一个平面正六边形构型，键角都是120°，碳碳键长都是0.1397nm。图示如下：

1.理论解释：
(1) 杂化轨道理论解释
苯分子中的碳原子都是以sp2杂化轨道成键的，故键角均为120°，所有原子均在同一平面上。
未参与杂化的P轨道都垂直与碳环平面，彼此侧面重叠，形成一个封闭的共轭体系，由于共轭效应使π电子高度离域，电子云完全平均化，故无单双键之分。

(2) 分子轨道理论解释
分子轨道理论认为，分子中六个P轨道线形组合成六个π分子轨道，其中三个成键规定，三个反键轨道。在基态时，苯分子的六个π电子成对填入三个成键轨道，其能量比原子轨道低，所以苯分子稳定，体系能量较低 。

苯分子的大π键是三个成键轨道叠加的结果，由于π电子都是离域的，所以碳碳键长完全相同。
从氢化热看苯的稳定性

苯的稳定化能（离域能或共振能）=360-208=152KJ/mol
2.苯的共振式和共振论的简介
（1）．基本要点：
a. 当一个分子、离子或游离基按照理论可以写出两个以上经典结构式时，这些经典结构式构成了一个共振杂化体，共振杂化体接近实际分子。

b.书写极限式时，必须严格遵守经典原子结构理论。原子核的相对位置不能改变，只允许电子排布上有所差别。

c.在所有极限式中，未共用的电子数必须相等。

d.分子的稳定程度可用共振能表示。苯的共振能为150.4 KJ/mol
（2）．共振论解释苯的结构

二、实验
1 实验目的
1、明确稳定化能的概念。了解怎样采用实验方法和理论计算得到苯分子稳定化能的数据。
2、用氧弹量热计测定苯、环己烷、环己烯的恒容燃烧热，从所得数据计算苯分子的稳定化能。
3、采用量子化学方法，使用GAUSS软件计算苯分子的稳定化能，并与实验值相对比。
2 实验原理
燃烧热是指1moL物质与氧进行完全氧化反应得热效应。如果是在恒容条件下测得的燃烧热，称为恒容燃烧热，用符号Qv,m表示。同理，若是在恒压条件下测得的燃烧热则称为恒压燃烧热，用Qp,m表示。若把参加反应的气体和反应生成的气体近似为理想气体，则有反应式：
Qp,m = Qv,m + (△n)RT = △H
测量化学反应热的仪器称为量热计。本实验采用氧氮式量热计测量环己烷，环己烯以及苯和胶囊的恒容燃烧热，进而求得恒压燃烧热。
m ∣Qv,m∣ + ∣ Q丝∣ = W水△T
环己烷和环己烯的生成热之差可视为双键的生成热。如果苯环有3个双键，苯和环己烷的生成热之差应该是双键生成热的3倍。实际上，苯的能量却低于由3个双键所预期的值。
3∣△E∣<∣△H环己烷∣－∣△H苯∣
这是因为苯分子是一个典型的共轭分子，其P电子轨道互相重叠，形成离域大π键。这种离域大π键体系的能量比对应的经典结构式所表达的普通双键体系的能量低，其差额称为共振能，即稳定化能。
实际上，从燃烧热的数据可以估算苯的稳定化能。环己烷和环己烯燃烧热焓△H之差△E，与环己烯上的孤对双键结构相关，即：
∣△E∣＝∣△H环己烷∣－∣△H环己烯∣
这是由于苯分子的共轭结构使其能量低于3个孤对双键的能量，实验证明，此差额正是苯分子的稳定化能E，即：
E ＝（∣△H环己烷∣－∣△H苯∣）－3（∣△H环己烷∣－∣△H环己烯∣）
综上所述：
E = 3 ∣QV,环己烯∣-2∣Qv,环己烷∣-∣Qv,苯∣
本实验先测定量热计的热容，可用基准物如苯甲酸法标定，然后分别称取苯、环己烷、环己烯在氧弹中燃烧，由体系的热容和试样燃烧后温度的升高值计算各物质的燃烧热，进而计算苯分子的稳定化能。
3 实验仪器和药品
①仪器：氧弹量热计，压片机，精密温差仪、分析天平、计算机、量化软件GAUSS03及视图软件GAUSSVIEW
②药品：苯、环己烷、环己烯、苯甲酸、药用胶囊
4 实验内容
4.1、测定量热计的热容
用压片机将约1g的量热基准物质苯甲酸压成片状，用分析天平准确称量后，置于燃烧杯中。剪取14cm长的点火丝，将其中部绕成1cm长的螺旋线，两端系于点火电极上，并使螺旋线紧贴在样品片上。然后装进氧弹中，拧紧盖子并充入氧气后，置于量热计中，按量热计的操作步骤测定其燃烧后的温度升高值。
4.2、测定试样的燃烧热
选取一个密封良好的药用胶囊，在分析天平上称其质量后，用滴管小心滴入苯至其容积的4/5（约0.4g），套好胶囊，再用分析天平称出苯的质量。
将装好试样的胶囊置于燃烧杯中，接上点火丝并用胶带使其螺旋线状紧贴在胶囊上，记录胶带长度，然后点火，测其燃烧热。扣除胶囊，胶带后的热值后即为苯的燃烧热。
同法测定环己烷和环己烯的燃烧热。
4.3、测定胶囊、胶带的燃烧热
称取10个胶囊，截取10倍长度(前面记录值)的胶带，捆绑点火丝（记录长度）后置于燃烧杯中，同上法测定胶囊，胶带的燃烧热（10倍）。
5 实验结果和讨论
5.1、实验数据记录

物质
苯甲酸 环己烯 苯 环己烷 十个胶囊
点火前 15.70 16.38 16.34 16.45 17.00
15.75 16.38 16.39 16.50 16.65
15.78 16.37 16.40 16.49 16.71
15.79 16.36 16.41 16.49 16.72
15.80 16.35 16.41 16.49 16.72
点火后 15.80 16.34 16.41 16.49 16.72
16.21 16.47 16.96 16.92 17.06
16.88 16.91 17.43 17.48 17.53
17.31 17.42 17.70 17.76 17.80
17.57 17.69 17.84 17.90 17.95
17.73 17.83 17.93 17.99 18.05
17.82 17.91 17.98 18.04 18.11
17.89 17.96 18.01 18.08 18.15
17.93 17.99 18.03 18.10 18.18
17.96 18.02 18.05 18.11 18.20
17.98 18.03 18.06 18.13 18.22
17.99 18.04 18.06 18.13 18.23
17.99 18.05 18.06 18.13 18.24
稳定后 18.00 18.06 18.07 18.13 18.24
18.00 18.06 18.07 18.14 18.24
18.00 18.06 18.07 18.14 18.24
18.00 18.06 18.07 18.14 18.24
17.99 18.06 18.07 18.14 18.24

环己烯： MP2=-233.8205645
环己烷： MP2=-235.0110456
苯： MP2=-231.4871881
十个胶囊：M=1.027g 十根燃烧丝：M=0.137g
②环己烷：燃烧丝：0.013g 胶囊：0.099g 胶囊+环己烷：0.500g
③苯： 燃烧丝：0.014g 胶囊：0.099g 胶囊+苯：0.544g
④环己烯：燃烧丝：0.012g 胶囊：0.102g 胶囊+环己烯：0.512g
⑤苯甲酸：燃烧丝：0.008g 苯甲酸+燃烧丝：1.009g

精密温差仪的校订

项目
温度 T1 T2 ΔT T平均
①十个胶囊 16.72 18.24 1.53 17.49
②环己烷 16.49 18.13 1.58 17.28
③苯 16.74 18.06 1.65 17.24
④环己烯 16.34 18.06 1.80 17.24
⑤苯甲酸 15.80 18.00 2.19 16.90

Qv,苯甲酸=-26.046kJ/mol.g Q丝=1.4kJ/mol.g
水当量：m苯甲酸*|Qv,苯甲酸|+|Q丝|m丝=W水ΔT苯甲酸 得：W水 =12.017kJ/mol
10*|Qv,胶囊|+|Q丝|m丝=W水ΔT十个胶囊 得：Qv,胶囊=-1.819kJ/mol
m苯/M苯*|Qv,苯|+|Q丝|m丝+|Qv,胶囊|=W水ΔT苯 得：Qv,苯=-2514.65 kJ/mol
m环己烯/M环己烯*|Qv,环己烯|+|Q丝|m丝+|Qv,胶囊|=W水ΔT环己烯 得：Qv,环己烯=-3097.78kJ/mol
m环己烷/M环己烷*|Qv,环己烷|+|Q丝|m丝+|Qv,胶囊|=W水ΔT环己烷 得：Qv,环己烷=-2808.17kJ/mol
Qp苯=Qv,苯+n苯RT=-2521.89kJ/mol
同理：Qp,环己烯=-3109.85kJ/mol Qp,环己烷=-2815.41kJ/mol
E=(|△H环己烷|-|△H苯|)-3(|△H环己烷|-|△H环己烯|)=(|Qp,环己烷|-|Qp苯|)-3(|Qp,环己烷|-|Qp,环己烯|)=136.82kJ/mol
实验误差：Er=(E理论值-E测量值)/E理论值=(152kJ/mol-136.82kJ/mol)/152kJ/mol×100%=9.98%
三、实验心得（或误差分析）
通过本次实验，我加深了对稳定化能和共轭分子结构的理解，以及重新熟悉了对GUASS软件的使用。实验中了多次使用了氧弹式量热计。经过这次的实验我更加熟悉了论文的写作资料的查找，文献的查阅，为进一步学习打下基础。
通过本实验我也进一步锻炼了动手能力，增强了实验技能。尤其重要的是自己对有机实验产生了浓厚的兴趣，体会到做好一个实验的艰辛，将平时实验中学到的知识应用到实践中去，体会到做好一个实验确实不是一件容易的事，一定要细心，认真！要有一丝不苟的态度，还要有足够的自信心，和良好的实验技能！
总之，化学需要严谨的科学态度，在学习化学过程中，步步谨慎，才可获得满意的结果。

希望对您有所帮助，望采纳谢谢！！！