溶液法测定极性分子的偶极距

实验日期： 2017.05. 交报告日期： 2017.05.

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.偶极矩与摩尔极化度 体系的偶极矩定义为： 分子的偶极距可以是分子本身所固有的，也可以是在外电场作用下分子的正负电荷中心发生变化而引起的。前者成为分子的永久偶极距，记为；后者称为分子的诱导偶极距，记为。 将极性分子至于静电场或低频电场中，外电场使得极性分子克服热运动，其永久偶极矩在电场作用下趋于电场方向排列，呈现为平均偶极矩。分子极化用摩尔定向极化度来衡量 原子、电子极化统称诱导极化，诱导偶极矩用摩尔诱导极化度产生的摩尔极化度是摩尔定向极化度和摩尔诱导极化度的总和，即 来衡量。极性分子所 在高频电场下，极性分子的定向运动跟不上电场的变化，电子仍可以沿电场定向（电子质量很小，惯性小），此时。因此先在高频电场下测得极性分子的摩尔电子诱导极化度，再在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度，两者相减就可以得到分子的摩尔定向极化度2.溶液法测定偶极矩 。（忽略极性分子的摩尔原子极化率） . 1

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在无限稀释的非极性溶剂的溶液中，溶质分子之间的分子作用力可以忽略不计，所处的状态和气态时相近，其摩尔极化度P2可以看作是P。无限稀释时溶质的摩尔极化度的公式为 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与光的折射率n的关系为：ε=n。可用无限稀释时溶质的摩尔折射度2∞表示高频区测得的摩尔极化度，因为此时， 、与溶剂和溶质的摩尔质量、摩尔分数、密度、介电常数、折射率等有关。 有稀溶液的近似公式： 以上物理量可通过测量溶液的相关物理量后，进一步由直线关系得到。 由公式，可得分子的永久偶极距。 三、实验用品 1.仪器：阿贝折光仪1台；比重管1只；电容测量仪1套；电子天平一台； 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；洗耳球1个； 2.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种浓度的正丁醇—环己烷溶液，正丁醇的摩尔分数分别为0.05、0.10、0.15、0.20。操作时应注意防止溶质和溶剂的挥发以及吸收极性较大的水汽，为此，溶液配好后应迅速盖好瓶盖。 2. 折光率的测定 在恒温（25±0.1℃)条件下用阿贝折光仪测定环己烷和各配制溶液的折光率。测定时各样品需加样3次，每次读取1个数据，取平均值。 3. 介电常数的测定 （1）先接好介电常数测量仪的配套电源线，打开电源开关，预热5min；用配套测试线将数字电常数测量仪与电容池连接起来；待显示稳定后，按下“采零”键，以清除仪表系统零位漂移，屏幕显示“00.00”。 （2）电容C0 和Cd的测定：采用环己烷为标准物质，其介电常数的温度公式为： ，式中，为恒温温度（℃）。 . 2

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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3次，取平均值。用移液管取2 mL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3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。每个溶液重复测定3次。3次数据的差值应小于0.05，否则要继续复测。所测电容读数取平均值，减去，即为溶液的电容。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（如右图所示）称重m0。然后用针筒注入已恒温的蒸馏水，定容，先盖紧a端的盖子，再盖紧b端的盖子（注意：千万不要把顺序弄错！取下盖子时顺序相反），确定比重管外壁是干燥的以后，称重，记为m1。将比重管液体回收，用丙酮清洗并吹干。用同样的方法称量环己烷及各溶液，记为m2 。则环己烷和各溶液的密度为： 比重管示意图 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，将剩余的溶液回收，将容量瓶、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、实验数据处理 1. 溶液的配制 环己烷的摩尔质量为，密度为； 正丁醇的摩尔质量为，密度为。 计算可得，不同摩尔分数的正丁醇-环己烷溶液中，应加入正丁醇、环己烷的体积为： 标号 1 2 3 4 正丁醇摩尔分数x2 0.05 0.10 0.15 0.20 正丁醇的体积（mL） 1.07 2.15 3.36 4.37 环己烷的体积（mL） 23.93 22.85 21.64 20.63 . 3

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2. 计算率求以及各溶液的值，并外推得到。 ，求出各溶液的介电常数，作图，由直线斜实验数据记录如下： 测量次数 第1次 4.78 第3次 4.78 6.67 6.93 7.40 7.66 8.24 第3次 4.78 6.67 6.93 7.37 7.68 8.18 平均值 4.78 6.67 介电常数 6.67 0.05 0.10 6.96 6.96 7.66 8.27 6.94 7.24 7.67 8.23 2.161 2.324 2.552 2.855 0.15 0.20 实验室温度 1.86； 各溶液的介电常数 见上表。 作图如下： . 4

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由趋势线方程y = 4.62x + 1.8955可得 所以， 3. 计算纯环己烷以及各溶液的密度，作数据记录如下： 溶液 m0(g) m1(g) m2(g) 75.5889 0.77266 环己烷 0.05 图，由直线斜率求值，并外推得到； 0.10 72.1203 76.5963 75.5026 0.75344 75.5197 0.75725 75.5238 0.75816 75.5407 0.76193 0.15 0.20 溶液密度 （g/cm） 3 根据公式计算纯环己烷以及各溶液的密度，见上表。 ， 根据上表数据，作图如下： .

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由趋势线方程y = 0.0528x + 0.7511可得 所以， 4.作图，由直线斜率求值，并外推得到； 数据记录如下： 折光率测量次数 0.05 0.10 第3次 1.4226 1.4209 1.4194 1.4182 平均值 第1次 1.4228 1.4210 1.4194 1.4182 第3次 1.4227 1.4210 1.4195 1.4182 1.4227 1.4210 1.4194 1.4182 0.15 0.20 根据上表数据，作图如下：

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由趋势线方程y = -0.0302x + 1.4241可得 所以， 5.将代入公式，求； 6. 将代入求正丁醇分子的永久偶极距 。 . 7

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六、实验注意事项 1. 每次测定前要用冷风将电容池吹干，并重测，与原来的值相差应小于0.05 pF。严禁用热风吹样品室； 2. 测样时，操作应迅速，池盖要盖紧，防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽。 3. 要反复练习差动电容器旋钮、灵敏度旋钮和损耗旋钮的配合使用和调节， 在能够正确寻找电桥平衡位置后，再开始测定样品的电容。 4. 注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线，以免损坏。 七、思考与讨论 正丁醇偶极矩的文献值为：1.66 Debye，实验测定值为1.84 Debye，因此实验测定存在一定的误差，有待改善。 1．实验误差主要来源： （1）介电常数的测定时，测定介电常数的仪器稳定性较差，测量时由于环境的扰动，数据浮动较大； （2）溶质的挥发：由于正丁醇和环己烷都极易挥发，而在实验中很难避免不与空气接触，所以就会导致浓度发生改变； （3）密度的测量过程中，由于对比重管标记重合时的全性，产生误差； （4）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。 改进办法是：浓度梯度变小，测多组的不同浓度下的数据，从而拟合得到更可靠的数据。 2．配成稀溶液的原因： 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： 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。 实际上，平行板电容器内的分子实际受到多个力的作用，当溶液浓度较低时溶质分子彼此间的作用力以及溶剂与溶质的作用力可以忽略，从而可以用稀溶液的近似公式进行计算，但是当浓度增大时，这些力的作用不能忽略，不可以近似。 3．正丁醇的对称性： 只有属于Cn、Cnv(包括Cs)点群的分子才具有永久偶极矩，由于正丁醇具有永久偶极矩，所以正丁醇所属点群为C1。

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