МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АНАЛИТИЧЕСКОЙ, ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

И ФИЗИКО-ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Методическое указание к лабораторной работе №1

по курсу “Физическая химия”

Волгоград 2003

УДК 543.45 (075.5)

Рефрактометрия: Методическое указание к лабораторной работе №1 по физической химии/ Составители: А.Г. Кокшаров, Ю.К. Гаевский, В.И. Глазов.

Волгоградский государственный технический университет. – Волгоград 2003 - 14 с.

Рассматривается поляризация и рефракция молекул; изучается строение молекул органических веществ и составы растворов неорганических солей методом измерения показателей преломления.

Предназначается для студентов, обучающихся по направлению 5508 и 5505.

Рецензент Малышева Ж.Н.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

© Волгоградский

государственный

технический

университет, 2003

Правила по технике безопасности

1) Прежде чем приступить к лабораторной работе, изучите методику ее проведения, получите инструктаж по технике безопасности и разрешение преподавателя на выполнение работы.

2) Выполнение работы разрешается только на специально оборудованном рабочем месте. Хождение по лаборатории, не связанное с проведением эксперимента, запрещается.

3) Осторожно обращайтесь со всеми приборами и установками. В случае каких-либо неисправностей в работе установки сообщите преподавателю или лаборанту, не пытайтесь самостоятельно их устранить.

4) Измерение показателей преломления органических жидкостей производить в вытяжном шкафу.

5) Доложите преподавателю (лаборанту) о полученных результатах, рабочее место по окончании работы приведите в порядок.

1. Цель и задачи работы

Изучить явления поляризации и рефракции молекул. Измерить коэффициенты преломления органических веществ, доказать справедливость аддитивности рефракции веществ.

2. Содержание работы

2.1. Дипольный момент и поляризация

Любая нейтральная молекула содержит определенное число локализованных в атомном ядре положительных зарядов, такое же число отрицательных зарядов в виде электронов. Центы тяжести этих зарядов могут совпадать (неполярная молекула) или не совпадать (полярная молекула). Если же неполярную молекулу поместить во внешнее постоянное электрическое поле или в электрическое поле соседней молекулы (или иона), то легко подвижные электроны претерпевают некоторое смещение, в результате чего появляется наведенный (индуцированный) дипольный момент. Смещение в электрическом поле претерпевают и атомы, входящие в состав молекул. Полярные молекулы ориентируются в электрическом поле. Электрическим дипольным моментом полярной молекулыназывается произведение электрического заряда (е) на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов (h).

μ=eh(1)

Элементарный электрический заряд составляет порядка 10^-10эл. ст. ед.; расстояние между центрами зарядов противоположного знака в любой молекуле имеет тот же порядок величины, то есть 10^-8см.

Поэтому за единицу измерения дипольного момента принято 1·10^-18эл ед. x см, она называется дебаем (1 Д).

Смещение электронов, атомов, ориентация молекул в электрическом поле называется поляризацией (П). Величина поляризации зависит, в частности, от способности молекул к поляризации. Способность молекул поляризоваться характеризуетсяполяризуемостью(α).

При помещении полярных молекул в электрическое поле происходят два явления:

1) молекулы ориентируются вдоль поля (поляризация ориентации (P_o));

2) расстояние между центрами тяжести зарядов диполя увеличивается, приводя к увеличению дипольного момента (поляризация деформации (P_D)).

Поляризация неполярных молекул (Р) складывается только из электронной (Р_эл) и атомной (Р_ат) поляризаций.

Поляризация ориентации вызвана смещением электронов, P_D– смещение атомов или атомных групп:

Р= P_D= Р_эл + Р_ат(2)

Более существенной величиной является Р_эл, так как тяжелые ядра атомов смещаются в электрическом поле незначительно по сравнению с подвижными электронами. ВеличинаРсоставляет 5-10 % отР_эл, поэтому считают, чтоP_D= Р_эл.

P_Dзависит от напряженности (Е) электрического поля, и при не слишком сильных полях наведенный дипольный момент равен:

μ=αЕ(3)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый поляризуемостью молекул.

Коэффициент αпоказывает, что дипольный момент создается при напряженности поля, равной единице. Чем большеα, тем легче поляризуется молекула.

Полная поляризация молекул, имеющих постоянный дипольный момент, складывается из поляризации ориентации и поляризации деформации:

Р= P_D + P_o = Р_эл + Р_ат + P_o(4)

Молярная поляризация деформации некоторых молекул веществ определяется выражением:

(5)

где N– число Авогадро, равное 6,023·10²³.

С другой стороны, ее можно характеризовать через диэлектрическую проницаемость (ε).

; (6)

где, М– молярный вес,ρ– плотность вещества г/см³, то есть, определивεпо формуле (6), рассчитываютP_Dнеполярных молекул.

Для веществ, состоящих из полярных молекул, Дебай вывел уравнение, учитывающее поляризацию ориентации:

(7)

где μ_о– постоянный дипольный момент молекулы;k– постоянная Больцмана;Т- абсолютная температура.

Полная поляризация полярных молекул по Дебаю согласно уравнениям 6 и 7 будет равна:

(8)

Полная поляризация наблюдается в статическом электрическом поле и в полях низкой частоты.

Чаще наблюдается электронная поляризация, называемая также рефракцией.