Определение основных физических констант органических веществ

Каждое органическое вещество обладает индивидуальными характеристиками, к которым относятся не только качественный и количественный состав вещества или его строение, но и вытекающие из них физические параметры, такие как температура плавления, температура кипения, плотность и показатель прелом­ления.

С помощью физических констант можно идентифицировать вещество и установить степень его очистки.

Определение температуры плавления

Температурой плавления вещества называют температуру, при которой оно из твердого состояния переходит в жидкое (рас­плав). Чистое вещество плавится в узком интервале температур – от нескольких десятых долей градуса до одного. Незначитель­ные загрязнения понижают температуру плавления данного со­единения. Следует отметить, что за счет примесей также проис­ходит расширение интервала температур плавления. Этим свойством пользуются для установления идентичности двух ве­ществ, если одно из них известно. Смешивают равные количе­ства исследуемых веществ (смешанная проба) и определяют тем­пературу плавления смеси. Если температура плавления смеси остается неизменной по отношению к исходным компонентам, то делают вывод об идентичности сравниваемых веществ. Если температура плавления смеси ниже температуры плавления ис­ходных веществ, то велика вероятность того, что мы имеем дело с разными соединениями. Исключение составляют изоморфные соединения, которые, несмотря на различное химическое стро­ение, не обнаруживают снижения температуры плавления смеси (депрессия температуры плавления).

Температура плавления зависит от строения вещества. Так, ве­щества линейного строения имеют более высокие температуры плавления, чем их изомеры с разветвленным углеводородным скелетом. У геометрических изомеров транс-изомер плавится при более высокой температуре, например, температура плавления малеиновой кислоты (цис-форма) равна 130°С, а фумаровой кис­лоты (транс-форма) – 287°С. Температура плавления зависит и от способности молекул образовывать ассоциаты. Вещества, спо­собные образовывать водородные связи, плавятся при более вы­соких температурах, чем изомерные им вещества, не образующие водородных связей.

Для определения температуры плавления используют стек­лянные капилляры с внутренним диаметром 1 мм и высотой 50–60 мм, вытянутые из стеклянной трубки на газовой горелке. Один конец капилляра запаивают, осторожно внося его сбоку в пламя. Исследуемое вещество тонко измельчают на часовом стек­ле стеклянной палочкой, а затем погружают в него открытый ко­нец капилляра. Вещество, попавшее в верхнюю часть капилляра, стряхивают на дно. Чтобы набрать необходимое количество веще­ства и утрамбовать его, капилляр несколько раз бросают запаян­ным концом вниз через длинную стеклянную трубку (60–70-см), поставленную вертикально на твердую поверхность (стекло). Та­ким образом вещество плотно утрамбовывают столбиком высо­той 0,3–0,5 см. Капилляр закрепляют на термометре при помощи резинового кольца так, чтобы проба вещества находилась на уровне ртутного шарика термометра. Термометр с капилляром представ­ляет собой часть прибора, изображенного на рис. 8.

Круглодонную или коническую колбу на ³/₄ объема заполняют силиконовым мас­лом, концентрированной серной кислотой, глицерином или дибутилфталатом. При использовании этих теплопередающих сред прибор можно нагревать до температуры не выше 250 °С. Термо­метр с капилляром закрепляют в горле широкой пробирки на пробке с вырезом и помещают в колбу. При нагревании прибора темпера­туру повышают на 4–6 °С в минуту, а при температурах, близких к плавлению вещества, на 1–2 °С в минуту. Температурой плавле­ния считается интервал от начала до полного расплавления веще­ства. Чем чище вещество, тем этот интервал уже (для чистых веществ он составляет 0.1–0.5 °С). Работу по определение температу­ры плавления необходимо прово­дить в защитных очках или маске.

Определение температуры кипения

Кипение – это процесс интенсивного испарения жидкости не только с ее свободной поверхности, но и во всем ее объеме внутрь образующихся при этом пузырьков пара. Кипение происходит при определенной температуре, называемой температурой кипения. При этой температуре давление насыщенного пара над кипящей жид­костью равно внешнему давлению. Температура кипения является важнейшей физико-химической характеристикой вещества. Она сильно зависит от внешнего давления. В большинстве случаев за температуру кипения принимают интервал температур при пере­гонке вещества. Чем чище вещество, тем меньше разница темпе­ратур начала и конца перегонки. Однако примеси в незначитель­ных количествах оказывают на температуру кипения меньшее влияние, чем на температуру плавления. В силу влияния различ­ных параметров на величину температуры кипения последняя яв­ляется менее надежным критерием чистоты вещества, чем температура плавления.

Определение плотности вещества

Плотность вещества – это одна из его основных физических характеристик, численно равная массе единицы объема тела:

где р – плотность вещества; m – масса; V – объем.

Плотность вещества обычно уменьшается с ростом температуры (из-за теплового расширения тел) и увеличивается с повышением давления. Единицей плотности в Международной системе единиц (СИ) служит кг/м². На практике часто применяют г/см³, г/л. В ряде случаев предпочитают пользоваться относительной плотностью d, представляющей собой отношение плотности данного вещества к плотности другого при определенных условиях. Относительная плотность выражается отвлеченным чис­лом. Обычно ее определяют по отноше­нию к плотности дистиллированной воды при 4°С.

Относительную плотность жидкостей можно определять при помощи ареомет­ров, пикнометров и специальных весов. Ареометры (рис. 9) применяют для быстрого определения относительной плотности жидкости.

Шкалы ареометров градуируются в единицах плотности или при определении концентрации растворов в процентах (по объему или массе). Некото­рые ареометры имеют специальные названия, например: лактометры (для определения жирности молока), спир­томеры (для определения содержания спирта), сахаромеры (для определения содержания сахара в сиропах) и т.д. В нижней части ареометра находился шарик, заполненный дробью (реже ртутью).

Рис. 8. Прибор для определения температуры плавления: 1 – круглодонная колба; 2 – теплопередающая среда; 3 – капилляр; 4 – пробирка; 5 – термометр

Рис. 9. Определение плотности вещества при помо­щи ареометр: / – шкала плотности ареометра; 2 – связующая масса; 3 – балласт (дробь); 4 – цилиндр с исследуемой жидкостью

Для определения относительной плотности жидкость наливают в широкий стеклянный цилиндр и осторожно погружают в него ареометр (см. рис. 9). Прибор не должен касаться стенок цилиндра. Чем больше относительная плотность жидкости, тем меньше в нее погружен ареометр. Значение относительной плотности показывает деление на шкале, против которого установился уровень жидкости.

Для более точного определения относительной плотности пользуются пикнометрами вместимостью 1–2 мл.

Определение показателя преломления (рефрактометрия)

Одной из важнейших характеристик вещества является показатель его лучепреломления. Он может быть использован для идентификации и проверки чистоты вещества, а также для расчета молекулярной рефракции, которая позволяет сделать ряд пред­положений о строении вещества. Показатель преломления опре­деляют методом рефрактометрии. В основе этого метода лежит яв­ление отклонения света на границе раздела двух сред (рис10).

Рис.10. Преломление света на границе двух сред

Показатель преломления n представляет собой отношение си­нуса угла падения света на поверхности раздела двух сред к сину­су угли отражения света:

где с₁ и c₂ – скорости прохождений света в средах 1 и 2. Таким об­разом, показатель преломления – это и отношение скоростей све­та в граничащих средах. Для жидкостей и твердых веществ наиболее часто средой 1 является воздух. Значение показателя преломления зависит от температуры (с ростом температуры его величина уменьшается) и резко меняется с изменением длины волны света и кон­центрации раствора. Поэтому измерения проводят при постоянной температуре и монохроматическом свете. Примеси также влияют на значение показателя преломления. Как правило, значение показа­теля преломления измеряют при длине волны, соответствующей длине волны желтого излучения натрия (D-линия, Х = 589 нм) при 20 °С. При обозначении показателя преломления индексами обяза­тельно указывает температуру и длину волны (n²⁰_D).