Министерство образования РФ
Череповецкий государственный университет
ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра химии строение молекул
Учебно-методическое пособие
к практическим занятиям
Специальности: 25.02 – химическая технология неорганических веществ;
03.02 - естествознание
Череповец 2000
Строение молекул: Учеб.-метод. пособие к практическим занятиям. Череповец: ЧГУ, 2000. - 18 с.
Пособие содержит примеры решения задач и многовариантные задания репродуктивного характера по методам исследования молекул: поляризации и молекулярной спектроскопии. Материал соответствует содержанию курса по выбору для студентов специальностей 25.02 -"Технология неорганических веществ" и 03.02 - "Естествознание".
Рассмотрено на заседании кафедры химии, протокол №5 от 28.01.2000 г. Одобрено редакционнно-издательской комиссией Инженерно-технического института, протокол №1 от 23.02.2000 г.
Рецензенты: Л.Ю. Кудрявцева - к.т.н., доц. ЧГУ;
Л.В. Кузнецов - к.т.н., доц. ЧГУ.
Составитель: Г.А. Котенко - к.х.н., доц.
Ó Череповецкий государственный университет, 2000
Занятие 1
Поляризация молекул
Поляризация связана с диэлектрической проницаемостью соотношением:
,
где М - молекулярная масса вещества; - его плотность.
Общая поляризация молекул складывается из электронной Рэл, атомной Рат и ориентационной Рор поляризаций:
Р = Рэл + Рат + Рор .
В поле видимого света имеется только Рэл. Она называется мольной рефракцией R:
,
где n - показатель преломления вещества.
Мольная рефракция равна собственному объему 1 моль вещества. Измеряется в м3/моль.
Мольная рефракция обладает свойством аддитивности:
,
где Rат - атомные рефракции; Rсв - рефракции связей; Rц - рефракции циклов; ni - число данных атомов, связей, циклов в молекуле.
Правило аддитивности может быть использовано также для определения рефракции растворенного вещества:
.
Парахор определяется по соотношению:
,
где - поверхностное натяжение, Н/м; М - молекулярная масса, кг/моль;
- плотность жидкости, кг/м3; П - парахор, Дж1/4 м2,5.
Парахор обладает аддитивными свойствами:
.
Парахор и рефракция являются характерными константами вещества и могут быть использованы для установления структуры молекулы вещества.
Пример
Определить структуру молекулы хлорбензола и ее объем, если известно, что при температуре 293,2 К поверхностное натяжение = 27,2810-3 Н/м, коэффициент преломления n = 1,4455 и плотность = 1,1062103 кг/м3.
Решение
Структуру молекулы С6Н5Сl можно определить по парахору:
.
П
римем
для хлорбензола структурную формулу:
Рассчитываем парахор С6Н5Сl по парахорам атомов, связей и шестичленного кольца (табл. 3):
П = 6ПС + 5ПН + ПCl + 3П = (616 + 527,56 + 98,15 + 333,78 + 1,42) 10-7 =
= 434,310-7 Дж1/4м2,5.
Совпадение рассчитанного и экспериментально найденного значения парахора удовлетворительное.
Определяем мольную рефракцию:
.
Определяем мольную рефракцию по атомным рефракциям и инкрементам связей:
R = 6RС + 5RН + RCl + 3R = (62,418 + 51,100 + 5,967 + 31,733) 10-6 =
= 31,17410-6 м3/моль.
Объем молекулы
.
Задание 1
Зная зависимости показателя преломления n, диэлектрической проницаемости от температуры и поверхностное натяжение при 298 К, определить:
1) зависит ли поляризация от температуры, полученный результат объяснить;
2) мольную рефракцию по правилу аддитивности и сравнить ее с вычисленной;
3) парахор вещества и сравнить полученный результат с вычисленным по атомным и структурным парахорам.
Данные к заданию приведены в табл. 1, рефракции и парахоры атомов, связей и циклов - в табл. 3 и 4.
Задание 2
При 293 К плотность а %-ного раствора вещества А в растворителе В равна , показатель преломления раствора равен n.
Вычислить молярную рефракцию вещества А, если при 293 К плотность растворителя равна 0, а его показатель преломления n0. Данные к заданию приведены в табл. 2.
Таблица 1
№ |
Вещество |
298103, Н/м |
Пара- метры |
Температура, К |
||||
283 |
288 |
293 |
298 |
303 |
||||
1 |
CH4O метанол |
22,12 |
n 10-3 |
- - - |
- - - |
1,3288 0,791 33,7 |
1,3264 0,787 23,0 |
1,3246 0,783 18,3 |
2 |
C2H5Cl хлористый этил |
17,40 |
n 10-3 |
1,3733 0,904 7,64 |
1,3716 0,898 6,94 |
1,3669 0,890 6,34 |
1,3646 0,883 5,70 |
- - - |
3 |
C2H5ClO этиленхлоргидрин |
38,90 |
n 10-3 |
1,4476 1,208 43,5 |
1,4464 1,203 31,7 |
1,4419 1,198 25,8 |
1,4418 1,193 20,7 |
- - - |
4 |
C2H5OH этанол |
22,32 |
n 10-3 |
- - - |
- - - |
1,3614 0,7895 25,8 |
1,3595 0,7853 20,0 |
1,3576 0,7810 17,2 |
5 |
C3H6O ацетон |
23,70 |
n 10-3 |
- - - |
1,3616 0,797 35,5 |
1,3590 0,791 21,4 |
1,3565 0,785 13,1 |
- - - |
6 |
C3H6O2 уксусно-метиловый эфир |
24,60 |
n 10-3 |
1,3642 0,946 8,56 |
1,3606 0,939 7,84 |
1,3594 0,934 7,45 |
1,3557 0,926 6,86 |
- - - |
7 |
C3H8O пропанол-1 |
23,78 |
n 10-3 |
1,3886 0,810 40,8 |
1,3866 0,939 29,6 |
1,3854 0,804 23,2 |
1,3825 0,798 18,3 |
- - - |
8 |
C4H8O2 уксусно-этиловый эфир |
23,90 |
n 10-3 |
1,3798 0,913 7,31 |
1,3761 0,906 6,85 |
1,3728 0,900 6,48 |
1,3697 0,894 6,02 |
- - - |
9 |
C4H10O этиловый эфир |
16,60 |
n 10-3 |
1,3555 0,725 4,60 |
1,3533 0,720 4,45 |
1,3497 0,714 4,35 |
1,3447 0,705 4,18 |
- - - |
Продолжение табл. 1
№ |
Вещество |
298103, Н/м |
Пара- метры |
Температура, К |
||||
283 |
288 |
293 |
298 |
303 |
||||
10 |
C4H10O бутанол-1 |
24,20 |
n 10-3 |
1,4029 0,816 14,6 |
1,4001 0,812 12,9 |
1,3991 0,810 11,6 |
1,3964 0,805 10,2 |
- - - |
11 |
C5H5N пиридин |
38,00 |
n 10-3 |
1,5804 0,992 14,4 |
1,5772 0,987 13,3 |
1,5736 0,982 12,6 |
1,5696 0,977 11,5 |
- - - |
12 |
C6H14 н-гексан |
18,43 |
n 10-3 |
1,3802 0,668 1,913 |
1,3774 0,664 1,910 |
1,3751 0,659 1,902 |
1,3723 0,655 1,895 |
1,3696 0,651 1,887 |
13 |
C5H12O пентанол-1 |
28,90 |
n 10-3 |
1,4143 0,824 21,1 |
1,4123 0,820 18,1 |
1,4101 0,817 16,1 |
1,4095 0,815 14,2 |
- - - |
14 |
C6H5Br бромбензол |
35,75 |
n 10-3 |
1,5667 1,507 5,88 |
1,5656 1,501 5,62 |
1,5598 1,493 5,42 |
1,5572 1,483 5,22 |
- - - |
15 |
C6H5Cl хлорбензол |
33,20 |
n 10-3 |
1,5300 1,118 12,0 |
1,5275 1,115 11,1 |
1,5246 1,110 10,6 |
1,5221 1,106 9,48 |
- - - |
16 |
C6H7N анилин |
49,30 |
n 10-3 |
1,5922 1,030 7,86 |
1,5900 1,026 7,56 |
1,5863 1,023 7,26 |
1,5859 1,020 6,94 |
- - - |
17 |
C7H8 толуол |
23,43 |
n 10-3 |
1,5026 0,875 2,37 |
1,4998 0,871 2,33 |
1,4968 0,868 2,30 |
1,4941 0,864 2,28 |
- - - |
18 |
C8H8O ацетофенон |
39,80 |
n 10-3 |
- - - |
- - - |
1,5342 1,030 4,92 |
1,5322 1,027 3,68 |
1,5302 1,024 2,98 |
19 |
C8H10 этилбензол |
29,20 |
n 10-3 |
1,5008 0,875 2,52 |
1,4988 0,871 2,49 |
1,4959 0,868 2,48 |
1,4927 0,864 2,46 |
- - - |
Продолжение табл. 1
№ |
Вещество |
298103, Н/м |
Пара- метры |
Температура, К |
||||
283 |
288 |
293 |
298 |
303 |
||||
20 |
С9Н7N |
45,00 |
n 10-3 |
1,6371 1,104 10,75 |
1,6327 1,100 9,76 |
1,6283 1,097 9,12 |
1,6253 1,092 8,40 |
- - - |
Таблица 2
№ |
а, % |
А |
В |
10-3, кг/м3 |
n |
010-3, кг/м3 |
n0 |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 |
20 31 30 40 17 35 24,5 12,5 9 50 44 90 22 29 50 50 45 42 52 25 40 37 66 3,6 |
HCl HCl H2SO4 HClO3 LiBr LiCl NaCl Na2SO4 K2SO4 SnCl4 CO(NH2)2 C2H4Br2 CCl3COOLi CH3COOH CH3COOH CH3COCH3 CCl3COOH CCl3COONa CSNC3H5 CSNC3H5 C5H10NH C6H5SO3H C6H5NH2 C6H5COOH |
CH3OH H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O CH3COOC2H5 H2O C3H7OH H2O H2O C6H6 C6H6 H2O H2O C5H10NH o-C6H4(CH3)2 CSNC3H5 H2O C2H5OH C6H5CH3 |
0,915 1,157 1,220 1,293 1,129 1,174 1,187 1,116 1,075 1,487 1,121 1,866 1,128 1,038 0,947 0,839 1,255 1,295 1,075 0,968 1,085 1,135 0,959 0,856 |
1,374 1,407 1,370 1,367 1,362 1,414 1,377 1,352 1,345 1,476 1,400 1,503 1,365 1,353 1,434 1,428 1,395 1,397 1,580 1,551 1,582 1,406 1,516 1,493 |
0,805 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,903 1,000 0,807 1,000 1,000 0,885 0,885 1,000 1,000 0,863 0,881 1,019 1,000 0,808 0,867 |
1,329 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,375 1,333 1,386 1,333 1,333 1,504 1,504 1,333 1,333 1,461 1,505 1,530 1,333 1,364 1,497 |
Таблица 3
Парахоры атомов, связей и циклов (по Квейлу), [1, с. 155]
-
Атом, группа, связь, цикл
П107, Дж1/4м2,5/моль
Азот
Бор
Бром
Водород:
при атоме N
при атоме O
при атоме C
Йод
Кислород:
в перекисях
Кремний
Мышьяк
Олово
Ртуть
Селен
Сера
Сурьма
Углерод:
в группе СН2
Фосфор
Фтор
Хлор
Двойная связь
Тройная связь
Ионная связь
Трехчленный цикл
Четырехчленный цикл
Пятичленный цикл
Шестичленный цикл
Семичленный цикл
31,11
38,23
120,90
22,22
17,78
27,56
160,55
35,20
37,87
55,11
96,01
114,68
122,68
112,00
87,30
120,90
16,00
71,12
72,01
46,40
98,15
33,78
67,56
-2,84
22,22
10,67
5,33
1,42
-7,11
Таблица 4
Атомные рефракции (по Эйзенлору)
-
Атом, группа, связь, цикл
RД106, м3/моль
Углерод
Водород
Кислород:
в гидроксиле
в карбониле
в эфире
Азот в ароматических аминах первичных
Хлор
Бром
Двойная связь
Тройная связь
Трехчленный цикл
2,418
1,100
1,525
2,211
1,643
3,213
5,967
8,865
1,733
2,398
0,710
Занятие 2