Соединения методом рефрактометрии

Элементный синтез позволяет установить общую формулу вещества. Комплексное изучение физико-химическихконстант, таких как показатель преломления, плотность, молекулярная рефракция и сопоставление их с литературными данными, дают возможность сделать заключение о структуре органического вещества, о степени его чистоты, идентифицировать известные и неизвестные вещества.

В этом плане простым и часто используемым методом является рефрактометрия (лучепреломление). Он основан на том, что луч света , проходя через границу двух оптически неоднородных сред, изменяет скорость и направление. (рис.1). Отношение синуса угла падения к луча света a к синусу угла преломления В, называют показателем преломления. Его величина зависит от длины волны света , температуры и самое главное – от структуры вещества и концентрации его растворов.

Показатель преломления определяется с помощью рефрактометра Аббе или рефрактометра типа ИРФ-22 (рис.2)

Обычно используется желтая линия спектра натрия (линия Д_Na, l=589 нм.) при температуре 20^о С. Поэтому показатель преломления обозначается символом n_Д²⁰. Снятие отсчета на рефрактометре изображено на рис.3. Для твердых легкоплавких веществ показатель преломления определяют при температуре несколько выше их температуры плавления.

Другой важной физической константой вещества является плотность. Плотностью r^t называется масса еденицы объема вещества при данной температуре t. Плотность вещества имеет различные размерности: г/см³, г/мл, кг/л, т/м³. В литературе используется безразмерная величина – относительная плотность d₄²⁰. Ее определяют с помощью пикнометра (рис.4).

Расчет ведут по формуле: d₄²⁰ вещества = , -------

Где m²⁰_{вещества} – масса вещества в граммах в объеме пикнометра при 20⁰ С; m⁴ н₂о – масса при 4⁰С. Ее называют водным числом пикнометра. Водное число удобно определять при 20⁰ С. Для этого сначала вычисляют относительную плотность воды при 20⁰С, пользуясь литературными данными из справочника химика.

d₄²⁰ н₂о = 0,9982

Если через r_о обозначить массу пустого пикнометра и через r -массу пикнометра с водой при 20^оС, то формулу (1) можно записать в следующей форме:

d₄²⁰ н₂о = 0,9982

Из нее определяется водное число пикнометра: m⁴ н₂о =

Если через r₁ обозначить массу пикнометра с любым исследуемым веществом при 20⁰ С, то относительную плотность органического вещества можно рассчитать по формуле:

d₄²⁰ н₂о = (2)

По значению относительной плотности можно оценить саму плотность вещества.

d₄²⁰ вещества =

r²⁰ вещества = d₄²⁰ вещества r⁴ н₂о = d₄²⁰ 1г/см³.

Найденное значение плотности записывают в рабочий журнал.

Х. Поренти и Л. Лоренц вывели простую математическую зависимость между массой 1 моля вещества (m), его плотностью (r) и показателя преломления (n)

МR_{Д найд)} =

В свою очередь m= 1 моль М г/моль,где М – молярная масса в г/моль изучаемого вещества. МR_Д называется молекулярной рефракцией. Она отражает меру поляризуемости электронов под действиемэлектромагнитного поля видимого света. Молекулярная рефракция адитивная , т.е. равна сумме рефракций атомов элементов, входящих в сосстов молекул.Молекулярная рефракция может быть вычислена теоретически и найдена экспериментально. Их обозначают,как МR_Д (выч.) или МR_Д (найд.). При вычислении МR_Д (выч.)сложных молекул структурные особенности рефракции – двойные, тройные связи учитываются введением введением вкладов – инкрементов. Молекулярная рефракция позволяет с помощьюпростейших физических констант - d₄²⁰ и r²⁰ сделать заключение о структуре органического вещества. Ниже приводится упрощенный алгоритм этого процесса:

1. Расчет экспериментального значения молекулярной рефракции МR_Д (найд.) по формуле Лорентца-Лоренса (3.)

2. Расчет теоретического значения молекулярной рефракции МR_Д (выч.) суммированием рефракций связей (табл.1) или рефракцией атомов (табл.2), исходя из предполагаемой формулы.

3. Сопоставление экспериментально найденного и теоретически вычисленного значений молекулярной рефракции. Выводы о структуре вещества.

II. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Для решения каких задач используется метод рефрактометрии ?
2. Что является физической основой метода рефрактометрии ?
3. Что такое показатель преломления вещества и от каких факторов он зависит. Почему обозначается символом n_Д ²⁰ ?
4. Что такое плотность, относительная плотность жидкого вещества? В каких единицах измеряется плотность ? Как определяют их экспериментально ? Какие расчетные формулы используются ?
5. Как рассчитывается теоретически молекулярная рефракция МR_Д (выч.) ?
6. Как определяется экспериментально молекулярная рефракция МR_Д (найд.) ?
7. Какие вывод можно сделать , зная теоретическое и экспериментальное значениемолекулярной рефракции МR_Д.

III. ЗАДАНИЕ 1

1. Определить показатель преломления жидкого органического вещества n_Д ²⁰

А) ацетона, б) пропанола-2, в) этилацетата.

ЗАДАНИЕ 2

ЗАДАНИЕ 3

1. Рассчитать МR_Д (найд.), исходя из экспериментально определенных значений n_Д ²⁰, r²⁰ и МR_Д (выч.) по рефракциям связей или атомов (табл. 1 и 2). Сделать выводы о структуре вещества.