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=q d (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=4/3πN A*μ02/(3kT)=4/9πN A*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：
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∞=4/9πN A*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
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’-C d）/C0
C d=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C d，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
1. 溶液的配制
2.折光率的测定
由上图可知：n1=1.4225
γ=0.029/1.4225=0.0204
3. 介电常数的测定
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 C d=C’空-C0=4.71-3.394=1.316
由ε溶=（C’溶- C d）/ C0，可算出：
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：
由上图第一个点误差较大，舍去，重新拟合
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
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
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。