溶液法测定极性分子的偶极距.docx

化学实验教学中心实验报告化学测量与计算实验Ⅱ实验名称： 溶液法测定极性分子的偶极距 学生姓名： 学号： 院 （系）： 年级： 级 班指引教师： 研究生助教： 实验日期： .05. 交报告日期： .05. 一、实验目的1. 用溶液法测定正丁醇的偶极矩；2. 理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：μ=q×d 分子的偶极距可以是分子自身所固有的，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 μ0 ；后者称为分子的诱导偶极距，记为 μ1 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 P定向 来衡量P定向=43πNAμ023kT=49πNAμ02kT 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 P诱导来衡量。

极性分子所产生的摩尔极化度 P 是摩尔定向极化度和摩尔诱导极化度的总和，即P=P定向+ P诱导= P定向+ P电子+ P原子在高频电场下，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P定向=0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 P电子，再在低频电场下测得极性分子的摩尔极化度P，两者相减就可以得到分子的摩尔定向极化度P定向忽视极性分子的摩尔原子极化率 P原子）2.溶液法测定偶极矩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视不计，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P=P2∞=limx2→0P2=3αε1(ε1+2)2M1ρ1+ε1-1ε1+2M2-βM1ρ1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=n2可用无限稀释时溶质的摩尔折射度R2表达高频区测得的摩尔极化度，由于此时P定向=0，P原子=0，P电子=R2∞=limx2→0R2=6αn12(n12+2)2M1γρ1+n12-1n12+2M2-βM1ρ1P2∞、R2∞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： ε溶=ε11+αx2 ，ρ溶=ρ11+βx2 ，n溶=n11-γx2以上物理量可通过测量溶液的有关物理量后，进一步由直线关系得到由公式 P定向=P2∞-R2∞=49πNAμ02kT ，可得分子的永久偶极距 μ0=0.0128P2∞-R2∞T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、实验环节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操作时应注意避免溶质和溶剂的挥发以及吸取极性较大的水汽，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期各样品需加样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：采用环己烷为原则物质，其介电常数的温度公式为：ε标=2.023-0.0016(t-20) ，式中，t 为恒温温度（℃）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反复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，同上措施测量倒去液体，吹干，重新装样，用以上措施再测量两次，取3次测量平均值3）溶液电容的测量：测定措施与环己烷的测量措施相似每个溶液反复测定3次3次数据的差值应不不小于0.05 pF，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导致浓度变化，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），拟定比重管外壁是干燥的后来，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措施称量环己烷及各溶液，记为m2 则环己烷和各溶液的密度为：ρ溶=m2-m0m1-m0ρ水，ρ水25℃=0.99707 gmL比重管示意图 5.清洗、整顿仪器上述实验环节完毕后，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、吹干整顿实验台，仪器恢复实验前的摆放五、实验数据解决1. 溶液的配制环己烷的摩尔质量为 M环=84.16 gmol，密度为 ρ环=0.778gmL；正丁醇的摩尔质量为 M正=74.12 gmol，密度为 ρ正=0.808gmL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：标号正丁醇摩尔分数x2正丁醇的体积（mL）环己烷的体积（mL）10.051.0723.9320.102.1522.8530.153.3621.6440.204.3720.632. 计算 C0、Cd 以及各溶液的 C溶，求出各溶液的介电常数 ε溶，作 ε溶-x2图，由直线斜率求 α 值，并外推得到 ε1实验数据记录如下：测量次数第1次第3次第3次平均值介电常数ε溶C空'4.784.784.784.78C标'(C环')6.676.676.676.67C溶'0.056.966.936.936.942.1610.106.967.407.377.242.3240.157.667.667.687.672.5520.208.278.248.188.232.855实验室温度 t=25.2℃ε标=2.023-0.0016t-20=2.023-0.001625.2-20=2.015C0=C标'-C空'ε标-1=6.67-4.782.015-1=1.86； Cd=C空'-C0=4.78-1.86=2.92ε溶=C溶C0=C溶'-CdC0=C溶'-2.921.86各溶液的介电常数 ε溶见上表。

作 ε溶-x2图如下：由趋势线方程y = 4.62x + 1.8955可得ε溶=ε11+αx2=αε1x2+ε1=4.62x2+1.90因此，ε1=1.90，αε1=4.62，从而可以推出 α=2.433. 计算纯环己烷以及各溶液的密度，作 ρ溶-x2图，由直线斜率求 β 值，并外推得到 ρ1；数据记录如下：溶液环己烷x20.050.100.150.20m0(g)72.1203m1(g)76.5963m2(g)75.588975.502675.519775.523875.5407溶液密度 ρ溶 （g/cm3）0.772660.753440.757250.758160.76193 根据公式 ρ溶=m2-m0m1-m0ρ水，ρ水25℃=0.99707 gmL，计算纯环己烷以及各溶液的密度，见上表ρ溶~x2图ρ溶/(g/cm3)x2根据上表数据，作 ρ溶-x2图如下：由趋势线方程y = 0.0528x + 0.7511可得ρ溶=ρ11+βx2=βρ1x2+ρ1=0.0528x2+0.7511因此，ρ1=0.7511，βρ1=0.0528，从而可以推出 β=0.07034.作 n溶-x2图，由直线斜率求 γ 值，并外推得到 n1； 数据记录如下：折光率 n溶测量次数第1次第3次第3次平均值x20.051.42281.42271.42261.42270.101.42101.42101.42091.42100.151.41941.41951.41941.41940.201.41821.41821.41821.4182n溶~x2图n溶x2根据上表数据，作 n溶-x2图如下：由趋势线方程y = -0.0302x + 1.4241可得 n溶=n11-γx2=-γn1x2+n1=-0.0302x2+1.4241因此，n1=1.4241，-γn1=-0.0302，从而可以推出 γ=0.0212。

5.将 ε1、 ρ1、 n1、α、β、 γ 代入公式，求 P2∞、R2∞；ε1ρ1n1αβγM1=M环M2=M正1.900.75111.42412.430.07030.021284.16 gmol74.12 gmol P2∞=limx2→0P2=3αε1ε1+22M1ρ1+ε1-1ε1+2M2-βM1ρ1 =3×2.43×1.90(1.90+2)2×84.160.7511+1.90-11.90+2×74.12-0.0703×84.160.7511=122.99R2∞=limx2→0R2=6αn12n12+22M1γρ1+n12-1n12+2M2-βM1ρ1=6×2.43×1.424121.42412+22×84.16×0.02120.7511+1.42412-11.42412+2×74.12-0.0703×84.160.7511=53.486. 将 P2∞、R2∞代入求正丁醇分子的永久偶极距 μ0 T=t+273.25=25.2+273.15=298.35 K μ0=0.0128P2∞-R2∞T=0.0128×122.99-53.48×298.35=1.84六、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，与本来的值相差应不不小于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，避免样品挥发和吸取空气中极性较大的水汽 3. 要反复练习差动电容器旋钮、敏捷度旋钮和损耗旋钮的配合使用和调节， 在可以对的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．实验误差重要来源：（1）介电常数的测定期，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。