Лабораторная работа №1. Определение рефракции и структурной формулы вещества

Цель работы: изучение метода определения структурной формулы вещества известного состава.

Задания:

1) определить показатель преломления исследуемого вещества и его плотность;

2) рассчитать опытную молярную рефракцию R_Моп;

3) записать возможные изомеры вещества известного состава;

4) рассчитать теоретическую R_Мтеор для всех возможных структурных формул данного эмпирического состава;

5) сопоставлением R_Моп и R_Мтеор установить структурную формулу исследуемого вещества. Рассчитать ошибку эксперимента.

Молярная рефракция R_Моп может быть рассчитана по уравнению (1.10), из которого следует, что предварительно необходимо определить показатель преломления и плотность исследуемого вещества. Обе величины должны определяться при одной и той же температуре.

Определение показателя преломления вещества. Для определения показателя преломления вещества используется прибор рефрактометр. действие рефрактометра основано на явлении полного внутреннего отражения луча света при прохождении его через ту или иную среду. Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы (1 и 2 на рис.1.1), выполненные из специального стекла и притертые по диагональным плоскостям. Между призмами помещается капля исследуемой жидкости, которая растекается по поверхностям тонким слоем. С помощью зеркала направляют луч света на грань призмы 1. Луч света проходит через призму 1, затем через тонкий слой исследуемой жидкости, потом через призму 2 и, выходя наружу, попадает в компенсатор, а оттуда – в окуляр.

При пользовании дневным светом часть лучей, падающих на границу стекло-жидкость под углом , меньшим предельного, пройдет через жидкость, призму 2 и окуляр. Часть лучей, падающих под углом ₂, большим предельного, не пройдет в жидкость, а отразится внутри призмы 1 на основании принципа полного внутреннего отражения (угол ₂). Поэтому, меняя положение окуляра, можно видеть либо светлое, либо темное поле, или, наконец, одну половину поля светлую, а другую – темную.

Положение границы раздела соответствует углу полного внутреннего отражения и связано с показателем преломления исследуемой жидкости. В окуляре рефрактометра имеется визирная линия в виде трех черточек. Путем изменения положения окуляра нужно добиться, чтобы визирная линия совпала с границей раздела светлого и темного полей, которая должна быть четкой. Показатель преломления определяется с точностью до четвертого знака после запятой.

Капля жидкости наносится на поверхность призмы пипеткой. Так как жидкость летуча, то измерение нужно делать быстро. После того, как измерение произведено, аккуратно вытирают поверхность призмы мягкой фланелью.

В окуляр

Ж идкость

2

1



₂

₂

Падающий луч

Рис.1.1

Определение плотности жидкости. Плотность жидкости определяется пикнометром. Перед работой пикнометр тщательно моют хромовой смесью, дистиллированной водой, высушивают и взвешивают на аналитических весах. Затем в него наливают дистиллированную воду и устанавливают нижний мениск жидкости точно по метке. Пикнометр с водой взвешивают на аналитических весах. Затем воду выливают, пикнометр высушивают и наливают в него исследуемую жидкость, доводят жидкость в пикнометре до метки и затем взвешивают. Записывают в рабочую тетрадь массу пустого пикнометра m_о, массу пикнометра с водой m₁ и массу пикнометра с исследуемой жидкостью m₂. Для нахождения истинной плотности нужно внести поправку на взвешивание в воздухе.

Каждое тело, погруженное в воздух, теряет в своей массе столько, сколько весит вытесненный им воздух. Такое влияние оказывает воздух как на взвешиваемое тело, так и на уравновешивающие его гирьки. Если бы объемы тела и гирек были одинаковы, то влияние воздуха было бы тоже одинаково и при равных массах весы были бы в равновесии. Однако плотность гирек больше, чем тела, и тело вытесняет больше воздуха, чем гирьки; следовательно, на воздухе тело может быть уравновешено меньшей массой гирек.

Чтобы найти истинную массу тела, надо в кажущуюся массу тела, полученную при взвешивании на воздухе (m_о, m₁, m₂), внести поправку на массу воздуха, соответствующую разнице объемов тела и гирек. Это достигается, если расчет ведется по уравнению (1.14):

(1.14)

где: _возд – плотность воздуха (_возд= 0,0012 г/см³).

Полученные в работе данные должны быть представлены в виде табл.1.1. предварительно должны быть составлены и занесены в лабораторный журнал все возможные изомеры соединения данного состава.

Таблица 1.1

Эмпирическая формула	Молярная масса М, кг/моль	Т, К	Показатель преломле-ния n	, кг/м3	RМоп, м3/моль	№ изомера	RМтеор, м3/моль
						1
						2
						3
						4

На основании полученных значений n и  по формуле (1.10) находят опытную рефракцию R_Моп.

По правилу аддитивности рассчитывают теоретические молярные рефракции R_Мтеор для каждого из возможных изомеров:

(1.15)

Сопоставляют теоретические и опытные значения R_М. Выбирают структурную формулу, для которой R_Мтеор наиболее близко к R_Моп.

Рассчитывают абсолютную и относительную погрешности определения R_М. Записывают выводы по проделанной работе.

Парахор

Кроме рефракции аддитивной величиной, позволяющей экспериментально определить строение молекул, является парахор. Парахор – эмпирическая величина, отражающая некоторые физические свойства индивидуального вещества (главным образом неассоциированных органических жидкостей). Парахор предложен в 1924г. английским учёным С. Сегденом как параметр, значения которого являются суммой парахоров инкрементов, составляющих сложную молекулу групп (-СН₂-, СН₃- и т.д.). Численные значения парахора можно рассматривать как эффективный молекулярный мольный объем с поправкой на коэффициент сжатия, обусловленный межмолекулярным взаимодействием. Благодаря этому свойству парахор ранее часто использовался для расчета значений поверхностного натяжения жидкостей, состоящих из сложных молекул.

Поверхностным натяжением σ или свободной энергией единицы поверхности называют работу, которую необходимо затратить для создания единицы поверхности раздела фаз. Возникновение поверхностного натяжения обусловлено нескомпенсированностью межмолекулярных взаимодействий на поверхности раздела фаз. Единица измерения σ Дж/м² или Н/м. Подробно поверхностные свойства жидкостей будут изучаться в курсе коллоидной химии.

На основании большого экспериментального материала А.И. Бачинский установил, что поверхностное натяжение жидкостей σ с высокой степенью точности пропорционально четвертой степени разности плотностей жидкости ρ₁ и ее насыщенного пара ρ₂, а именно:

, (1.11)

где – коэффициент пропорциональности.

При температуре, существенно меньшей температуры кипения жидкости ρ₂ весьма мало по сравнению с ρ₁, , поэтому можно по Бачинскому, записать:

, (1.12)

где V – молярный объем жидкости.

Из этой формулы непосредственно получается уравнение для парахора П:

(1.13)

Для определения структурной формулы соединения необходимо рассчитать по правилу аддитивности теоретическое значение парахора для всех его возможных изомеров и сравнить его с парахором данного вещества, рссчитанным по уравнению (1.13) на основании измереных значений поверхностного натяжения σ и плотности ρ жидкости. Совпадение значений П, полученных опытным и теоретическим путем свидетельствует о правильности предположенной структурной формулы соединения.

Лабораторная работа №2. Определение парахора и структурной формулы вещества.

Цель работы: изучение метода определения структурной формулы вещества известного состава по значению поверхностного натяжения жидкости.

Задания:

1) определить поверхностное натяжение исследуемой жидкости;

2) определить плотность исследуемого вещества (см. описание лабораторной работы №1);

3) рассчитать опытный парахор ;

4) записать возможные изомеры вещества известного состава;

5) рассчитать теоретический парахор для всех возможных структурных формул данного эмпирического состава;

6) сопоставлением и установить структурную формулу исследуемого вещества. Рассчитать ошибку эксперимента.

Парахор рассчитывают по уравнению (1.13), для этого необходимо определить поверхностное натяжение и плотность исследуемого вещества.

Определение поверхностного натяжения. Для измерения поверхностного натяжения вещества пользуются методом наибольшего давления в газовом пузырьке, разработанным академиком П.А. Ребиндером.

Работа по этому методу проводится на приборе, изображенном на рисунке 1.2.

Рис. 1.2

Сосудик А для исследуемой жидкости соединен с помощью боковой трубки В с водяным аспиратором С, создающим необходимое разрежение в системе, и манометром D. Сверху сосудик закрывается пришлифованной пробкой, через которую проходит трубка, заканчивающаяся капиллярным кончиком. Сосудик заполняют исследуемой жидкостью и помещают в термостат. Выпуская воду из аспиратора, добиваются такой разности между атмосферным давлением и давлением внутри сосудика, чтобы из капиллярного кончика через поверхность жидкости начали проскакивать пузырьки воздуха (1 - 2 в секунду). Капиллярный кончик должен иметь ровные края и быть отшлифован. Очистка капиллярного кончика производится хромовой смесью. Трубка с капиллярным кончиком устанавливается так, чтобы последний только касался поверхности жидкости. Глубже погружать кончик нельзя: в противном случае необходимо вводить поправку на гидростатическое давление слоя жидкости над погруженным кончиком. Скорость проскакивания пузырьков воздуха можно регулировать с помощью крана на аспираторе.

Показания манометра D замечают в момент проскакивания пузырьков воздуха. Опыт повторяют с одной и той же жидкостью 2 - 3 раза и берут среднее показание манометра. Колебания отдельных измерений не должны превышать 1-2 мм. Между давлением P в момент проскакивания пузырьков, отмеченным по манометру, и поверхностным натяжением существует зависимость

, (1.16)

где – постоянная прибора.

Так как значение неизвестно, то измерения проводятся с двумя жидкостями. В качестве одной из них выбирают исследуемую жидкость, поверхностное натяжение которой неизвестно и которое необходимо определить, в качестве второй – воду, поверхностное натяжение которой известно ( ). Тогда

,

откуда

,

где – показания манометра при работе с водой, мм; – показания манометра при работе с исследуемой жидкостью, мм.

Сначала производят измерения с дистиллированной водой, а затем с исследуемой жидкостью

(1.17)

По найденному поверхностному натяжению и плотности исследуемой жидкости рассчитывают опытное значение парахора :

, (1.18)

где М_x и ρ_x − молярная масса и плотность исследуемой жидкости.

Изображают возможные структурные формулы исследуемого вещества известного состава и по правилу аддитивности рассчитывают теоретические значения парахора ( ) для каждого из возможных изомеров:

(1.19)

Значения парахоров инкрементов составляющих молекулу атомов и связей (П_ат и П_связей) находят в таблицах краткого справочника физико-химических величин.

Сопоставляют теоретические и опытные значения П. Выбирают структурную формулу, для которой наиболее близко к .

Полученные экспериментальные данные представляют в виде таблицы 1.2. Рассчитывают абсолютную и относительную погрешности определения. В случае удовлетворительно проведенных измерений расхождение между и не должно превышать 2%.

Записывают выводы по проделанной работе.

Таблица 1.2.

Жидкость	Показания манометра, мм				, Н/м	, Н/м	ρ, кг/м3	№ изоме-ра	·107	·107
	h1	h2	h3	hср					Дж1/4·м5/2·моль-1
вода
исследуемая жидкость								1
								2
								3
								4