结构化学上机实验二

偶极矩的测定马瑞摘要：分子在电场中可发生变形极化和取向极化这两种极化作用，故此电介质的介电常数同时受到分子固有偶极矩、诱导偶极矩和偶极矩的取向极化三种作用影响。

本实验通过测定正丁醇的环己烷溶液之折射率、介电常数和密度随浓度的变化，利用外推法确定线性关系系数，从而求得正丁醇的固有偶极矩大小。

关键词：正丁醇偶极矩极化电介质The Determination of Dipole MomentMa Rui (Marine.Marion)( NCL USTC Hefei Anhui P.R.China，230026 )Email：marion@Abstract：A molecule in electric field is acted on by distortion polarization and orientation polarization, so the dielectric constant is bear upon intrinsic dipole, induceddipole and orientation polarization. In this experiment, we determine therefractive indexes, dielectric constants and density of 1-butyl alcohol &cyclohexane solution under different concentrations. The data are processedto resolve the linear relation constant by using extrapolation, and then we canget the intrinsic dipole moment of 1-butyl alcohol.Key words：1-Butyl alcohol, Dipole moment, Polarization, Dielectric偶极矩是一个向量，方向规定从负电荷指向正电荷——注意，以前化学上曾经约定为相反的方向，但是现在与物理学采用了一致的约定“从负到正”！电偶极矩的SI 制单位为C ·m ，微观物理学中常用的单位为“德拜Debye ”，1Debye=3.336E-30C ·m 。

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。

【1.17】链型共轭分子22CHCHCHCHCHCHCH CH 的长波方向460nm 处出现第一个强吸收峰，试按一维势模型估算其长度。

pm 1120=解：该分子共有4对π电子，形成88π离域π键。

当分子处于基态时，8个π电了占据能级最低的前4个分子轨道。

当分子受到激发时，π电子由能级最高的被占轨道（n=4）跃迁到能级最低的空轨道（n=5），激发所需要的最低能量为45E E E -=∆，而与此能量对应的吸收峰即长波方向460nm 处的第一个强吸收峰。

按一维势粒子模型，可得：()22812mlhn hcE +==∆λ因此：()21812⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=mc h n l λ()21183193410998.210109.981046010626.6142⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⨯⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯+⨯=----s m kg m s J pm 1120=【1.19】若在下一离子中运动的π电子可用一维势箱似地表示其运动特征：估计这一势箱的长度nm l 3.1=，根据能级公式2228/ml h n E n =估算π电子跃迁时所吸收的光的波长，并与实验值510.0nm 比较。

解：该离子共有10个π电子，当离子处于基态时，这些电子填充在能级最低的前5个π型分子轨道上。

离子受到光照射，π电子将从低能级跃迁到高能级，跃迁所需要的最低能量即第5和第6两个分子轨道的能级差。

此能级差对于吸收光谱的最大波长。

应用一维势箱粒子的能级表达式即可求出该波长：22222222568118586mlml mlh mlh E E hcE =-=-==∆λhm c l 1182=λ()sJ msm ⋅⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯⨯⨯=----34291831106262.611103.1109979.2101095.98nm 6.506实验值为nm 0.510，计算值与实验值的相对误差为%67.0-。

1032 假定ψ1和ψ2是对应于能量E 的简并态波函数，证明ψ=c 1ψ1+ c 2ψ2同样也是对应于能量E 的波函数。

结构化学趣味实验教案高中
目标：通过趣味实验，激发学生对化学科学的兴趣，深入了解结构化学知识。

教学步骤：
一、实验准备
1. 准备所需实验器材和药品：烧杯、试管、显微镜、化学试剂等。

2. 安排实验场地，确保实验安全。

二、实验内容
1. 实验一：化学结构拼图
将不同颜色的木块代表不同种类的原子，让学生根据元素周期表的结构，拼出不同化合物的分子结构。

2. 实验二：显微镜下的分子结构
给学生提供一些常见的化合物样品，让他们通过显微镜观察分子结构，并根据观察结果进行推断。

3. 实验三：化学反应模拟
让学生进行一些简单的化学反应实验，观察反应物和产物之间的化学结构变化。

三、实验总结
1. 让学生在小组内分享实验心得和观察结果，讨论化学结构对物质性质的影响。

2. 引导学生总结实验结果，思考化学结构与物质特性之间的联系。

四、实验延伸
1. 鼓励学生进行更多有趣的化学实验，进一步探究化学结构的奥秘。

2. 鼓励学生参加化学比赛或展示活动，展示他们的实验成果和发现。

评价标准：学生能够通过实验观察、总结和讨论，深入理解化学结构知识并加深对化学科学的兴趣。

02 原子的结构和性质【2.1】氢原子光谱可见波段相邻4条谱线的波长分别为656.47、486.27、434.17和410.29nm ，试通过数学处理将谱线的波数归纳成为下式表示，并求出常数R 及整数n 1、n 2的数值。

221211(R n n ν=- 解：将各波长换算成波数：1656.47nm λ= 1115233v cm --=2486.27nm λ= 1220565v cm --=3434.17nm λ= 1323032v cm --=4410.29nm λ=1424373v cm --=由于这些谱线相邻，可令1n m =，21,2,n m m =++……。

列出下列4式：()22152331R Rm m =-+()22205652R R m m =-+()22230323R R m m =-+()22243734R R m m =-+(1)÷(2)得：()()()23212152330.7407252056541m m m ++==+用尝试法得m=2（任意两式计算，结果皆同）。

将m=2带入上列4式中任意一式，得：1109678R cm -=因而，氢原子可见光谱（Balmer 线系）各谱线的波数可归纳为下式：221211v R n n -⎛⎫=- ⎪⎝⎭式中，112109678,2,3,4,5,6R cm n n -===。

【2.2】按Bohr 模型计算氢原子处于基态时电子绕核运动的半径（分别用原子的折合质量和电子的质量计算并精确到5位有效数字）和线速度。

解：根据Bohr 提出的氢原子结构模型，当电子稳定地绕核做圆周运动时，其向心力与核和电子间的库仑引力大小相等，即：22204n n n m e r r υπε=n=1，2，3，……式中，,,,,n n m r e υ和0ε分别是电子的质量，绕核运动的半径，半径为n r 时的线速度，电子的电荷和真空电容率。

同时，根据量子化条件，电子轨道运动的角动量为：2n n nh m r υπ=将两式联立，推得：2202n h n r me επ=；202n e h nυε=当原子处于基态即n=1时，电子绕核运动的半径为：2012h r me επ=()()23412211231196.62618108.854191052.9189.1095310 1.6021910J s C J m pmkg C π------⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯A A A 若用原子的折合质量μ代替电子的质量m ，则：201252.91852.91852.9470.99946h m pm r pm pme επμμ==⨯==基态时电子绕核运动的线速度为：2102e h υε=()21934122111.60219102 6.62618108.8541910C J s C J m -----⨯=⨯⨯⨯⨯A A A 612.187710m s-=⨯A 【2.3】对于氢原子：(a)分别计算从第一激发态和第六激发态跃迁到基态所产生的光谱线的波长，说明这些谱线所属的线系及所处的光谱范围。

实验二分子所属点群的判断
一、实验目的
1.学会运用结构化学的知识推断分子的空间构型。

2.能够准确地找出分子中存在地对称元素。

3.掌握确定分子所属点群的方法。

二、实验原理
每个分子对称操作的完全集合组成了一个数学群，由于在进行对称操作时分子中至少有一点是不动的，所以又称为分子的点群。

尽管分子有千千万万，但它们所属的点群却是有限的几种类型。

如果知道了分子的空间构型并准确地找出分子中存在地对称元素，那么运用下图所示分子所属点群的判断图表就可以确定一个分子所属点群。

三、实验所需的材料
模型球和棒
四、实验步骤
1.选定十个分子。

2.组装模型，找出分子中的对称元素。

3.依据分子所属点群的判断图表编一个简单的程序，上机运行，得
出结论。

五、实验所需的程序及运行结果
自编程序或参考资料下载里的程序
六、结果与讨论。

结构化学实验物质摩尔折射度的测定实验目的1. 掌握阿贝折射仪的使用方法。

2. 测定化合物的折射率和密度，求算化合物、基团和原子的摩尔折射度，判断各化合物的分子结构。

摩尔折射度摩尔折射度可以作为分子中电子极化的度量，用R 表示，其定义为：221R=2n M n ρ−×+n ：物质的折射率；M ：物质的摩尔质量g/mol ；ρ：物质的密度g/cm 3；R ：摩尔折射率cm 3/mol 实验原理实验原理摩尔折射度摩尔折射度具有加和性，等于分子中各原子的折射度以及形成化学键时折射度的增量之和。

利用这种加和性，就可以根据物质的化学式算出其各种同分异构体的摩尔折射度并于实验测量相比较，进而推断其化学键及分子结构。

仪器与试剂WAY型阿贝折光仪、比重瓶、滴管；纯水、四氯化碳、乙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、二氯乙烷；实验步骤折射率的测定：使用阿贝折光仪测量每种液体的折射率。

密度的测定：用比重瓶测量上述每种液体的密度。

HO220H O 0=m m m m ρρ−×−m ：待测液体与比重瓶的总质量；m 0：比重瓶的质量；m H 20：水与比重瓶的总质量实验步骤数据记录及结果处理1. 列表记录实验数据。

2. 求算和液体的密度和合折射率并求出其摩尔折射度。

3.根据实验数据求出CH2，Cl，C，H等官能团的摩尔折射度。

思考题1.按实验书上表格6.1-1和6.1-2数据计算各化合物摩尔折射度的理论值，并与实验值相比较。

2. 试验中有哪些操作会引起测量结果的误差？结构化学实验结构化学实验。

摘要：理论讲授可以引导学生高效地掌握知识，帮助学生梳理知识脉络；上机实践有助于将抽象的知识形象化，加深学生对知识的理解；开放研讨则增加了学生的课堂参与度，促使学生深入思考并积极讨论，拓展了学生的知识面。

“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体的教学模式必将有效地提高“结构化学”的课程教学质量。

关键词：结构化学；教学模式；化学中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2019）11-0019-03收稿日期：2019-02-10作者简介：王文己（1982—），男，甘肃民勤人，西北农林科技大学化学与药学院副教授，博士，主要从事理论化学研究。

基金项目：2017年西北农林科技大学校级教改项目“构建“结构化学”课程新体系—理论与上机实践相结合”（JY1703131）“结构化学”是大学化学类专业的必修课程。

该课程的教学内容包含量子力学基础、原子结构理论、分子结构理论、配位场理论和晶体点阵理论等。

总的来看，“结构化学”是利用量子力学原理和现代物理化学实验方法，从微观的角度来研究原子、分子和晶体的微观结构及其结构与性能之间关系的科学。

“结构化学”是基础化学向高等化学攀登的阶梯，绝大部分研究生阶段的高等化学课程都以“结构化学”为基础。

因此，“结构化学”对培养化学专业的高层次人才具有重要作用。

由于“结构化学”的研究对象是难以理解的微观体系，不仅要有一定的数学、物理和化学基础，还要有严密的逻辑思维能力和良好的空间想象能力。

因此，不仅教师会觉得这门课程难教，学生们也普遍有畏学情绪。

此外，由于在本科阶段“结构化学”知识的使用率不高，所以学生们认为“结构化学”用处不大，因而不重视“结构化学”的学习。

为了改进“结构化学”的教学模式，从而使学生更容易更有兴趣地学习[1-2]，很多高校做了大量工作[3]。

兰州大学通过“结构化学”课程的网络视频增加学生对课程的理解；南开大学则在“结构化学”课程中增加了模型实习环节[4]，借助网络和软件提升学生的学习效果；南昌大学尝试了在“结构化学”教学中增设量子化学计算实验课[5]，从而化抽象为具体；中国矿业大学探索了小专题式教学法[6]，通过为各个章节设置小专题，提升学生的学习积极性和教学效果。