Анализдің рефрактометриялық әдісімен танысу және заттың құрылымдық формуласын анықтау

 

Зертханалық  жұмыс №1

 

Заттың құрылымдық формуласын анықтау

 

Жұмыстың мақсаты:  Анализдің рефрактометриялық әдісімен танысу және заттың құрылымдық формуласын анықтау.

 

1. Теориялық бөлім

 

Электр өрісі  әсерінен молекулаларда, атомдарда  және иондарда өтетін өзгеріс поляризация деп аталады.

Полюсті молекулаларды электр өрісінен тыс жерге орналастырған кезде ол өріске қарай бағытталады – бағытталған поляризация Р₀ өтеді. Полюссіз молекула жағдайында бағытталған поляризация нөлге тең болады.

Полюссіз молекулалар поляризациясы атомдық Р_А және электрондық поляризациялардан Р_Э тұрады. Атомдық поляризация – атомдар ядроларының бір – біріне тартылуы нәтижесінде диполь моментімен сипатталатын дипольдің пайда болуы. Электрондық поляризация – сыртқы электр өрісінің әсерінен электрондық сыртқы қабаттардың атом ядросына немесе атомдар тобы болған жағдайда оң зарядтардың ауырлық центріне қарай ығысып, нәтижесінде дипольдің пайда болуы.

Атомдық және электрондық поляризациялардың  қосындысы деформациялық поляризацияны Р_д береді:

 

Р_Д = Р_А +Р_Э

 

Деформациялық поляризация заттың агрегаттық күйіне және температураға тәуелсіз.

Электр өрісіндегі полюсті  молекулалар температураға және заттың агрегаттыққ күйіне тәуелді бағытталған поляризацияға ұшырайды.

Заттың 1 молінің электрондық поляризациясы молекулалық (немесе молярлық) рефракция R деп аталады.

Молекулалық рефракция 1 моль зат құрамындағы электрондардың электромагниттік өріс әсерінен ығысуға қабілеттілігімен сипатталады. СИ жүйесінде молекулалық рефракция м³/кмоль – мен өлшенеді.

Лоренц теңдеуі бойынша:

мұндағы R - молекулалық рефракция; n – заттың сыну көрсеткіші, ол бір ортадан екінші ортаға өткендегі жарық жылдамдығының өзгерісін сипаттайды; M – заттың молекулалық массасы; р – заттың тығыздығы.

1 г заттың рефракциясы меншікті рефракция деп аталады және төмендегі формула бойынша есептеледі:

Меншікті рефракция 1 г зат құрамындағы электрондардың электро-магниттік өріс әсерінен ығысуға қабілеттілігімен сипатталады.

Рефракция аддитивтілік қасиет көрсетеді. Егер молекулалары химиялық тұрғыдан өзара әрекеттеспейтін екі заттың ерітіндісі бар болса, онда ерітіндінің меншікті рефракциясы құрамындағы компоненттердің меншікті рефракциясы мен олардың массалық үлестерінің көбейтіндісінің қосындысына тең болады:

 

мұндағы r_1,2 – ерітіндінің меншікті рефракциясы; r₁, г₂ – компоненттердің меншікті рефракциясы; ω- бірінші компоненттің массалық үлесі.

Егер екі компоненттің де меншікті рефракциялары белгілі  болса, онда ерітіндінің меншікті рефракциясын экспериментті арқылы біле отырып, оның құрамын анықтауға болады.

Егер қандай да бір  тұздың ерітіндісін алатын болсақ, аддитивтілік ережесі бойынша, еріген тұздың меншікті рефракциясын анықтай  аламыз. Ол үшін алдымен экспериментті түрде ерітінді мен еріткіштің сыну көрсеткішерінің және тығыздықтарының мәнін анықтаймыз.

Аддитивтілік ережесіне  молекулалық рефракция да бағынады.

Ерітіндіде диссоциацияланатын бейорганикалық заттардың молекулалық  рефракциясы иондар рефракциясының қосындысына тең.

Молекулалық рефракция  аддитивтілігі органикалық қосылыстардың  рефракциясын қарастыруға мүмкіндік  береді, бұл жағдайда жеке атомдардың және байланыс типіне (жай, қос, үш, сақиналы, т.б.) тәуелді белгілі бір атом топтарының атомдық рефракцияларының қосындысы алынады:

R = ∑nR_ат+∑nR _байл-с +∑nR_сақина.

мұндағы n – атомдар саны, қысқа байланыстар саны.

Органикалық қосылыстардың  құрылысын анықтауға мүмкіндік  беретіндіктен бұл органикалық  химияда үлкен маңызға ие.

1 – кестеде кейбір  атомдар рефракциясы мен байланыстар рефракциясының мәндері келтірілген.

 

Кесте 1. Кейбір атомдар мен байланыстар рефракциясы

Атом немесе байланыс	R, см3/моль
Сутегі	1,10
Көміртегі	2,418
Гидроксилдік оттегі	1,525
Эфирлік оттегі	1,643
Карбонильдік оттегі	2,211
Хлор	5,967
Бром	8,86
N (аминотоптар)	2,32
НS – R қосылыстарындағы күкірт	7,69
Қос байланыс	1,733
Үш байланыс	2,398

 

2. Практикалық бөлім

 

Құрылғылар  мен реактивтер: рефрактометр, аналитикалық таразы, пипеткалар - 2 шт., көлемі 5 см³ пикнометр, сүзгі қағазы, термометр, спирт немесе ацетон, дистильденген су, бюкстағы зерттелетін зат.

 

Жұмысты орындау  реті

Заттың молекулалық  рефракциясын зертханалық түрде  анықтау оның тығыздығын және Лоренц теңдеуі бойынша ары қарайғы  есептеулерде қолданылатын сыну көрсеткішін анықтаудан тұрады. 

 

1. Рефрактометрмен жұмыс істеу ережесі

Рефрактометрдің жұмыс  істеу принципі сыну көрсеткіштері  әртүрлі екі орта шекарасы арқылы жарық өткен кездегі толықтай шағылу құбылысына негізделген.

Өлшеу мөлдір зерттелетін  орта арқылы өтетін жарықтың толық жұтылуы немесе шашырауы жүзеге асатын күндізгі жарықта немесе жарықтандырғыш қосу кезінде жүргізіледі.

Өтетін жарықпен жұмыс  істеу кезінде айна 2 (1 – сурет) жабық тұруы керек, ал жарық жарықтандырғыш призмаға 3 бағытталуы керек. Өткен  жарық призманың 3 гипотенузалық шекарасында шашырайды да, зерттелетін ортаға 4 және әртүрлі бұрыштан түсетін жарық шоқтары түрінде өлшеуіш призманың өңделген жұмысшы қырларына түседі. Бұрыштар (α< 90°) арқылы өтетін шоқтар салыстырмалы түрде дұмысшы өлшеуіш призма 1 қырларында сынады, айнада 16 кескінделеді, компенсатор 5, линза 6 арқылы өтіп, шекті сыну бұрышының шамасына сәйкес келетін, нақты шекаралары бар ашық және күңгірт өрістер түрінде крестелген тор жазықтығында 7 фокусталады.

Сол тор жазықтығында 7 және призма қырларының тазықтығында 9 айна 10, объектив 11 және призма 12 көмегімен айнамен тығыз байланысты қозғалмалы шкала кескінделеді шкаланың жарықтандырылуы 15 кері айна 14 және жарық фильтрі 13 көмегімен жүзеге асырылады.

Окуляр 5 көмегімен бір  мезетте жарық пен көлеңке шекарасының орналасу жағдайын және шкаланың сандық мәнін көруге болады.

Жарық пен көлеңке  шекарасын ахроматтау үшін және зерттелетін  ортаның орташа дисперсиясын өлшеу  үшін оптикалық ось арқылы қарама – қарсы бағытта айналатын екі призмадан тұратын компенсатор 5 қолданылады.

 

1 - сурет – Оптикалық рефрактометр сызбанұсқасы

1 - өлшеуіш призма; 2 - айна; 3 – жарықтандырғыш призма;

4 – зерттелетін орта; 5 - компенсатор; 6 - линза;

7 - тор; 8 - окуляр; 9 - призма АР-90; 10 - айна;

11 - объектив; 12 - призма; 13 – жарық фильтрі;

14 - айна; 15 - шкала; 16 – айна.

 

Сұйықтықтармен жұмыс  істеу кезінде алдымен таза жылтыратылған  өлшеуіш призма бетіне шыны таяқшамен  немесе пипеткамен мұқият призмаға тигізбей екі – үш тамшы сұйықтық тамызамыз. Жарықтандырғыш призманы түсіріп, бекіткішпен бекітеміз (2 - сурет).

Мөлдір сұйықтарды өлшеу жарықтандырғыш призманың ашық терезесі арқылы өтетін жарықта жүргізіледі, бұл жағдайда өлшеуіш призманың терезесі айнамен жабылуы керек.

Боялған және лайланған сынамаларды өлшеу  жарықтандырылған жарықта жүргізіледі.

Ол үшін қақпақты 7 жауып (2 – сурет), жарықты өлшеуіш призмаға бағыттайтын айнаны ашамыз, бұл жағдайда ашық және көлеңке өрістер орны ауысады.

Басқалардың барлығында өлшеу мөлдір сұйықтықтарды  өлшеу сияқты жүргізіледі.

Өлшеуіш призмаға зерттелетін сынаманы орналастырғаннан кейін окулярды крестелген өріс көрінетін  жерге әкеледі. Айна көмегімен жарық  шкаласының айқын көрінетін жағдайын таңдаймыз. Маховик (бұранда) 2 көмегімен (2 – сурет) түстер шекарасын окулярдың көрінетін аймағына әкелеміз.

Маховикті 5 шекара сызығы айқын көрінгенге дейін бұраймыз. Окуляр арқылы маховик 2 көмегімен сызықтардың  түйіскен жерін (крест) дәл шекара сызығына әкелеміз және сыну көрсеткіші шкаласы арқылы сан мәнін аламыз.  Есептеу үшін призманың 9 қозғалмайтын көлденең штрихтары алынады.

Бүтін, ондық, жүздік және мыңдық үлестер шкала  бойынша алынады, ал он мыңдық үлес көзбен бағаланады.

 

 

 

2 - сурет – Рефрактометрдің сыртқы түрі

1- термометрлі штуцер; 2 - бекіткіш; 3 - нониус; 4 - маховик; 5 - окуляр; 6 - штуцер; 7 - қақпақ; 8 - штуцер; 9 - шарнир; 10 - қақпақ; 11 - айна; 12 – бақылау пластинкасы; 13 – қосымша заттары бар қорапша; 14 - штуцер; 15 - кілт; 16 - корпус; 17 – құрылғы негізі; 18- рефрактометриялық блок; 19 - айна; 20 - жарықтандырғыш; 21 – қорек блогы.

 

2. Тығыздықты өлшеу

Зат тығыздығын пикнометр  көмегімен анықтайды. Ол үшін алдымен  аналитикалық таразы арқылы пикнометрді  құрғақтай, тығынымен бірге өлшейміз. Содан кейін оны зерттелетін затпен белгісіне дейін толтырып, тығынмен жауып, сыртын сүзгі қағазымен құрғатып, аналитикалық таразыда өлшейміз.

Пикнометрдегі затты бюкске ауыстырып, пикнометрді ацетонмен немесе спиртпен шайып, екі рет дистильденген сумен жуамыз. Пикнометрді дистильденген сумен белгісіне дейін толтырып, сүзгі қағазымен құрғатып, таразыда өлшейміз.

Дистильденген суы бар  пикнометрді өлшеу пикнометрді  калибрлеу, яғни дәл көлемін анықтау  үшін қажет. Оны анықтау үшін пикнометрге  толтырылатын су температурасындағы судың тығыздығын білуіміз қажет. 

Әртүрлі температурадағы  су тығыздығының мәндері 2 – кестеде  келтірілген.

2 - кесте - Әртүрлі температурадағы су тығыздығы

 

t, °С	р, г /см3	t, °С	р, г /см3
16	0,9990	21	0,9980
17	0,9988	22	0,9978
18	0,9986	23	0,9976
19	0,9984	24	0,9974
20	0,9982	25	0,9972

 

 

Пикнометр көлемі төмендегі  формуламен анықталады:

 

мұндағы m_П.В - суы бар пикнометр массасы, г;  m_П.П -  бос пикнометр массасы,  г; ρ (Н₂О) – белгілі бір температурадағы су тығыздығы, г/см³.

Зерттелетін зат тығыздығын анықтау формуласы:

 

 

мұндағы m (п.исслед. в-ва) – зерттелетін заты бар пикнометр массасы, г;   m_П.П -  бос пикнометр массасы,  г;  Vп – пикнометр көлемі, см³.

Пикнометр көлемі мен  зерттелетін зат массасын өлшеу кемінде үш рет жүргізілуі керек, үтірден кейін төрт санға дейінгі дәлдікпен тығыздықтың орташа арифметикалық мәні есептеледі.

 

3. Сыну көрсеткішін өлшеу

Зерттелетін заттың сыну көрсеткіші рефрактометр көмегімен  анықталады, ол алдын ала судың сыну көрсеткішін өлшеу арқылы жұмысқа дайындалады. 20⁰С температура кезіндегі судың сыну көрсеткіші: 

 

n_D = 1,3330

 

Сыну көрсеткішінің  мәні де үш рет анықталады, үтірден  кейін төрт мәнге дейінгі дәлдікпен  орташа арифметикалық мәні есептеледі.

Зерттелетін заттың тығыздығын, сыну көрсеткішін және молекулалық массасын біле отырып, Лоренц теңдеуі бойынша молекулалық рефракциясы есептеледі.

Өлшеу нәтижелері 3 –  кестеге енгізіледі.

3 - кесте

№	mП.П	mП.В	m п.исслед. в-ва	ρ исслед. в-ва	nD исслед. в-ва	М, г /моль	R, см3/моль
1.
2.
3.
Орташа мәні

 

4. Эксперименттік мәліметтерді өңдеу

1. Молекулалық массасын, сапалық құрамын және зерттеу нәтижесінде анықталған молекулалық рефракциясын біле отырып, зерттелетін заттың шамамен бірнеше құрылымдық формуласын жазу.
2. Атомдық және байланыстық рефракцияның кестелік мәндерін пайдалана отырып аддитивтілік ережесі бойынша зерттелетін заттың молекулалық рефракциясын есептеу (1 – кесте).
3. Эксперимент бойынша анықталған және құрылымдық формулалар бойынша анықталған молекулалық рефракция мәндерін салыстыру.
4. Зерттелген заттың құрылымдық формуласының дұрыстығы туралы қорытынды жасау.