结构化学 实验二 溶液法测定极性分子的偶极矩
一、实验目的
1.用溶液法测定正丁醇的偶极矩 2.了解偶极矩与分子电性质的关系 3. 掌握溶液法测定偶极矩的实验技术 二、实验原理 1.偶极矩与极化度
两个大小相等方向相反的电荷体系的偶极矩定义为：
μ=qd (1)
极性分子在电场作用下极化程度可用摩尔定向极化度P定向来衡量： P定向=4/3πNA*μ02/(3kT)=4/9πNA*μ02/(kT) (2)
极性分子所产生的摩尔极化度P是摩尔定向极化度、摩尔电子诱导极化度和摩尔原子诱导极化度的总和：
P=P定向+P诱导=P定向+P电子+P原子 (3) 2. 溶液法测定偶极矩
无限稀释时溶质的摩尔极化度的公式：
P=P2∞=3αε1/(ε1+2)2 * Μ1/ρ1 + (ε1-1)/(ε1+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1 (9)
习惯上用溶质的摩尔折射度R2表示高频区测得的摩尔极化度，因为此时P
定向
=0，P原子=0，推导出无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式：
P电子=R2∞=(n12-1)/(n12+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1+6n12Μ1γ/[(n12+2)2*ρ1] (13)
稀溶液的近似公式：
1
-
ε溶=ε1(1+α* x2) (7) ρ溶=ρ1(1+β*x2) (8)
n溶=n1(1-γ*x2) (12) 由 P定向=P2∞-R2∞=4/9πNA*μ02/(kT) (14) 得 μ0=0.0128*[(P2∞-R2∞)*T]1/2 (D) (15) 需测定参数：α，β，γ，ε1，ρ1 n1
三、仪器和试剂
仪器：阿贝折光仪1台；比重管1只；电容测量仪一台；电容池一台；电子天平一台；电吹风一只；25ml容量瓶4支；25ml、5ml、1ml移液管各一支；滴管5只；5ml针筒一支；针头一支；吸耳球两个
试剂：正丁醇（分析纯）；环己烷（分析纯）；蒸馏水；丙酮
四、实验步骤 1.溶液的配制
配制4种正丁醇的摩尔分数分别是0.05、0.10、0.15、0.20的正丁醇-环己烷溶液。 2.折光率的测定
用阿贝折光仪测定环己烷和各配制溶液的折光率。测定时注意各样品需加样三次，每次读取一个数据，取平均值。 3.介电常数的测定
（2）电容C0 和Cd 的测定：本实验采用环己烷为标准物质，其介电常数
2
-
的温度公式为：
ε标=2.203-0.0016(t-20)
式中t为实验室温度（℃）。用电吹风将电容池加样孔吹干，旋紧盖子，将电容池与介电常数测量仪接通。读取介电常数测量仪上的数据。重复三次，取平均值。用移液管取1ml纯环己烷加入电容池的加样孔中，盖紧盖子，同上方法测量。倒去液体，吹干，重新装样，用以上方法再测量两次，取三次测量平均值。
（3）溶液电容的测量：测定方法与环己烷的测量方法相同。 ε溶=C溶/C0=（C溶’-Cd）/C0
Cd=C空’-C0= C空’-（C标’-C空’）/（ε标-1）
每个溶液均应重复测定三次，三次数据差值应小于0.05pF，所测电容读数与平均值，减去Cd，即为溶液的电容C溶。由于溶液易挥发而造成浓度改变，故加样时动作要迅速，加样后迅速盖紧盖子。 4.溶液密度的测定
取干净的比重管称重m0。然后用针筒注入已恒温的蒸馏水,定容，称重，记为m1。用丙酮清洗并吹干。同上，测量各溶液，记为m2 。则环己烷和各溶液的密度为：
ρ溶=(m2-m0)/(m1-m0) *ρ水 ，ρ水25g/mL 5.清洗、整理仪器
上述实验步骤完成后，确认实验数据的合理性。确认完毕，将剩余溶液回收，容量瓶、比重管、针筒洗净、吹干。整理实验台，仪器恢复实验前的摆放。
五、数据记录和处理
3
-
1. 溶液的配制
X2 0.05 0.10 0.15 0.20 2.折光率的测定
n 0.05 1 2 3 n平均
1.4208 1.4213 1.4210 0.10 1.4197 1.4197 1.4195 X2 0.15 1.4181 1.4175 1.4183 1.4180 0.20 1.4167 1.4166 1.4167 1.4167 正丁醇/ml 1.07 2.15 3.25 4.37 环己烷/ml 23.93 22.85 21.75 20.63 1.4210 1.4196 1.42151.4211.42051.421.41951.4191.41851.4181.41751.4171.41651.4160折光率和正丁醇浓度关系1.421N溶-X21.4196N溶1.4181.4167y = -0.029x + 1.42250.050.1X20.150.20.25
4
由上图可知：n1=1.4225
-
γ=0.029/1.4225=0.0204 3. 介电常数的测定 C/pF C空气’ 环己烷 C标 1 2 3 C平均
t=23.2℃ ε标=2.203-0.0016(t-20)=2.195
C0=（C’标-C’空）/（ε标-1)=(7.55-4.71)/(2.195-1)=3.394 Cd=C’空-C0=4.71-3.394=1.316 由ε溶=（C’溶- Cd）/ C0 ，可算出： ε(环己烷) 1.837 ε(0.05) 1.961 ε(0.10) 2.081 ε(0.15) 2.299 ε(0.20) 2.456 4.73 4.70 4.70 4.71 7.52 7.55 7.58 7.55 0.05 7.99 7.96 7.96 7.97 0.10 8.41 8.35 8.38 8.38 X2 0.15 9.14 9.11 9.11 9.12 0.20 9.67 9.61 9.67 9.65 5
-
•ε溶-X232.52y = 3.1526x + 1.8114ε溶1.510.5000.050.1X20.150.20.25 由上图可知：ε1=1.8114
α=3.1526/1.8114=1.7404 4．溶液密度的测定
由ρ溶=(m2-m0)/(m1-m0) *ρ水，可算出：
M0=69.5659 X M溶 ρ溶
0.05 72.7742 0.7549 0.10 72.7997 07609 M1=73.8033 0.15 72.8047 0.7621 0.20 72.8058 0.7624 6
-
ρ2-X20.7650.7640.7630.7620.7610.760.7590.7580.7570.7560.7550.7540y = 0.047x + 0.75420.7620971150.7623559480.760920604ρ20.7549203950.050.1X20.150.20.25
由上图第一个点误差较大，舍去，重新拟合
ρ2-X20.76260.76240.76220.7620.76180.76160.76140.76120.7610.760800.050.10.150.20.25y = 0.0144x + 0.7596ρ2X2 可知：ρ1=0.7596
β=0.0144/0.7596=0.0190 5.求P2∞、R2∞
n1=1.4225 γ=0.0204 ε1=1.8114 α=1.7404 ρ1=0.7596 β=0.0190
7
-
M1= 84.16 M2=74.12
P2∞=3αε1/(ε1+2)2 * Μ1/ρ1 + (ε1-1)/(ε1+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1 = 92.548 R2∞=(n12-1)/(n12+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1+6n12Μ1γ/[(n12+2)2*ρ1] = 24.286 6.求偶极矩μ0（当时温度为25.2℃）T=298.4K μ0=0.0128*[(P2∞-R2∞)*T]1/2 =1.956 D 六、思考与分析
1.分析本实验误差的主要来源，如何改进？
(1)溶液的配制：移液管使用过程中量取溶液并不十分精确，会导致溶液配置的时候X2的值与要求值有一定的偏差。所以，在移液的过程中要保证移液管使用操作迅速准确。
(2)折光率的测定：折光率的线性还比较好，测量中除了取样，试剂瓶盖子应随时盖好．以免样品挥发影响溶液浓度。而且样品滴加要均匀，用量不能太少，以免测量不准确。
(3)介电常数的测定：仪器不是很稳定，而且并未用移液管移取1mL,而是用每种溶液的专用滴管吸取50滴，滴管的构造不一样，也导致了移取的样品量不一致，这是造成介电常数与浓度关系的线性很差的两个原因。应该用同一个移液管准确移取，且每次都要用丙酮洗净用待测液润洗，而且在重新装样前，为了证实电容池电极间的残余液确已除净，须先测量空气的电容值，待空气的电容值恢复到测量之前，或者在±0.05pF的误差范围内，方可进行下一次测量。
(4)溶液密度的测定：因为电子天平非常灵敏，当有电吹风在吹或稍有动静时，读数就变得很厉害，两次测量的数据都会很不一样，所以每个样品测了两次，取了比较合理的数据。减小误差的方法是确保每次装样品前比重管都要洗净吹干（内
8
-
外管壁都是），溶液要装满比重管，且外壁不能沾溶液，测量的环境要尽可能安静。
2.本实验中，为什么要将被测的极性物质溶于非极性的溶剂中配成稀溶液？ 因为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态时相近，于是无限稀释的溶液中就可以使用如下稀溶液的近似公式： ε溶=ε1(1+α* x2) ρ溶=ρ1(1+β*x2) n溶=n1(1-γ*x2) 从而可以推导出无限稀释时溶质的摩尔极化度及摩尔折射度的公式，最终得到永久偶极矩。
3.根据实验结果，判断正丁醇的对称性（所属点群）。
答：由于正丁醇具有永久偶极矩，且只有属于Cn、Cnv(包括Cs)点群的分子才具有永久偶极矩，所以正丁醇所属点群为C1
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