稀溶液法测定极性分子偶极矩
摘 要：本实验将正丁醇和环己烷混合配成稀溶液代替理想气体。通过测定不同摩尔分数的正丁醇/环己烷稀溶液的电容，计算其介电常数，并综合测定的溶液密度计算得到正丁醇的总摩尔极化度为(79.1±4.2)cm3·mol-1。依据折射率的测定得到正丁醇的电子极化度为(22.22±0.02)cm3·mol-1。再依据上述计算结果得到正丁醇的偶极矩为(1.65±0.06)D。
关键词：介电常数；总摩尔极化度；折射率；电子极化度；偶极矩
1 实验部分 1.1 仪器和药品
正丁醇，环己烷，丙酮。
PCM-1型精密电容测量仪，电容池，注射器，50mL磨口锥形瓶，滴管，吸量管，比重管，烧杯，电子天平，阿贝折射仪，循环水真空泵。 1.2 实验步骤 1.2.1 配制溶液
分别配制正丁醇摩尔分数0.05,0.08,0.10,0.12,0.15的正丁醇/环己烷溶液各15mL，根据预先计算的正丁醇和环己烷体积，使用吸量管移取液体，用电子天平准确称量，计算所配溶液正丁醇的摩尔分数。 1.2.2 介电常数的测定
打开精密电容测定仪的电源，稳定10min以上，将量程打在20pF档，拔下电容池与测定仪的连接插头，调节调零旋钮使示数为零，然后重新插上。
取下电容池盖，用电吹风将电容池吹干，盖上池盖，此时示数即为电容池的C空’。用干燥滴管吸取液体加入电容池样品室中，使液面接近白色绝缘垫上沿，盖上电容池盖，读取电容值C
样’
。用注射器吸干电容池中的液体，用电吹风吹干电容池
及二电极，再盖上池盖读取电容值C空’。同样操作再测一次C样’。两次C空’及C样’数据差距均应不超过0.01pF。按照上述方法依次测定五组溶液和环己烷的电容。 1.2.3 密度的测定
使用数字密度计测定环己烷，正丁醇和五组溶液的密度，每组测定两次，两次数据应完全相同。测定完毕后用乙醇洗一次样品池。
练习使用比重管测定正丁醇的密度。先测定空比重管质量，再将比重管装满去离子水后测定质量，平行两次。用正丁醇润洗比重管两次，再将比重管装满正丁醇测定质量。测定完毕后用乙醇洗一次比重管，用真空泵抽干。 1.2.4 折射率的测定
使用阿贝折射仪测定正丁醇的折射率，平行两次。
2 数据记录及处理
2.1 正丁醇/环己烷溶液的配制
表 1 正丁醇/环己烷溶液的配制
溶液编号
锥形瓶
瓶+环己烷
瓶+环己烷+正丁醇
正丁醇
质量(g)
1 2 3 4 5
62.877 46.931 57.596 67.745 64.111
质量(g) 75.737 59.876 69.792 80.165 74.528
质量(g) 76.337 60.862 70.984 81.633 76.111
摩尔浓度x2 0.0503 0.0796 0.0999 0.1183 0.1472
以第5组数据为例，计算正丁醇的摩尔分数：
环己烷
正丁醇
2.2 介电常数的测定
环己烷的测定温度为18.1℃，该温度下环己烷的介电常数：
环
环己烷和各组溶液的电容测定数据和介电常数的计算结果列入表2：
表 2 各溶液的电容测量数据及介电常数计算结果
编号 1 2 3 4 5 6
x2 0.0503 0.0796 0.0999 0.1183 0.1472 环己烷
C空1’(pF) C样1’(pF) C空2’(pF) C样2’(pF) 4.18 4.19 4.18 4.18 4.18 4.19
7.15 7.30 7.43 7.58 7.84 6.90
4.18 4.18 4.18 4.18 4.18 4.18
7.14 7.30 7.43 7.58 7.85 6.89
1,2 2.12 2.18 2.22 2.28 2.38 2.023
注：计算结果按3位有效数字列表，但实际拟合时采用未约简的计算结果，原因在误差分析部分详述。
计算电容池的分布电容和空气电容：
空
标空
标
标
空
分
空
标
将空气电容近似为真空电容，以第5组溶液为例计算溶液的介电常数：
样
样
样
分
样空
按照上述方法计算各溶液的介电常数分别为：2.12,2.18,2.22,2.28,2.38. 作 散点图，并进行线性拟合，如图1所示：
图 1 ε1,2 - x2线性拟合图
回归曲线方程： 即 .
第1、3、5个数据点距离拟合直线较远，利用肖维勒准则系数表判断异常值： 将各点残差（取绝对值）列表：
表 3 各数据点残差表
数据点 残差Vd
1 0.0139
2 0.0074
3 0.0136
4 0.0071
5 0.0142
查肖维勒准则系数表，n=5时 . 计算 的值并列表：
表 4 各数据点 表
数据点
1
2
3
4
5
-0.0110 -0.0175 -0.0113 -0.0178 -0.0107
由表知所有数据点求得结果均为负值，因此第1、3、5点均不是异常值。 从 值看拟合效果较为一般，故检验两变量的相关性：
查阅不同置信水平及自由度时检验相关系数的临界值表[1]，若采用置信度99%，在自由度f=n-2=3时 所得回归曲线的相关系数 故可判断本次实验所测的 1,2和x2两变量间是显著相关的。 2.3 溶液密度的测定
各溶液密度的测定结果如表5所示：
表 5 各溶液密度测量数据
编号 x2 /(g·cm-3) /(g·cm-3) /(g·cm-3)
1 0.0503 0.77405
0.77405 0.77405
2 0.0796 0.77453 0.77453 0.77453
3 0.0999 0.77489 0.77489 0.77489
4 0.1183 0.77525 0.77525 0.77525
5 0.1472 0.77585 0.77585 0.77585
6
7
环己烷 0.77369 0.77369 0.77369
正丁醇 0.80802 0.80802 0.80802
作 散点图，并进行线性拟合：
图 2 ρ1,2 –x2线性拟合图
回归曲线方程：
即
2.4 的计算