Ćw. 18

Refrakcja substancji rozpuszczonej.

WSTĘP TEORETYCZNY

Refraktometria to nauka badająca zmiany właściwości promienia świetlnego przechodzącego przez substancje chemiczne i ich roztwory. Zmiana właściwości promienia świetlnego jest istotna przy wyznaczaniu czystości substancji lub nawet jej składu. Łatwo domyślić się, że ma to ogromne znaczenie przy wyznaczaniu budowy skomplikowanych związków organicznych. Metoda refraktometryczna jest dobrym uzupełnieniem innych bardziej złożonych metod badawczych.

Jedną z najważniejszych cech refrakcji jest fakt, że jest to właściwość addytywna. Oznacza to, że refrakcja związku chemicznego jest równa sumie refrakcji poszczególnych składników tego związku (pierwiastków, specyficznych grup funkcyjnych, etc.)

Aby zrozumieć czym jest refrakcja trzeba zastanowić się czym się ona charakteryzuje i jakie są jej źródła. Istotą jest zapoznanie się z pojęciem współczynnika załamania światła.

Pierwszym badaczem, który analizował jak zachowuje się promień świetlny przechodzący z jednej fazy do innej był Snellius. Podał on kilka praw, które aktualne są po dziś dzień. Część z nich wydawać się może oczywista, jednak niektóre mają daleko idące konsekwencje. Mianowicie, badacz ów zauważył, że promień padający, odbity i załamany oraz prosta prostopadła do płaszczyzny rozgraniczającej dwie fazy leżą w jednej płaszczyźnie. Zauważył, że kąt odbicia jest równy dokładnie kątowi padania. Ostatnie - bodaj najistotniejsze twierdzenie mówi, że stosunek sinusa kąta padającego i sinusa kąta załamania jest stały i wynosi „n”.

Późniejsi badacze zauważyli, że „n” jest też równe stosunkowi prędkości światła w fazie pierwszej do prędkości światła w fazie drugiej. Zatem:

Współczynnik załamania światła danej substancji (mieszaniny) nie jest stały. Zależy on od takich czynników jak gęstość, stężenie czy też długości fali światła padającego. Ponieważ gęstość zależy silnie od temperatury, można powiedzieć, że i współczynnik załamania światła zależy od temperatury (choć nie bezpośrednio, a poprzez gęstość). W praktyce aby zmierzyć współczynnik załamania światła należy posłużyć się jedną z poniższych metod.

Pomiar absolutnego współczynnika załamania światła. Polega on na pomiarze kątów, padającego i załamanego przy przejściu promienia z próżni do badanej próbki. Ponieważ jest trudne osiąganie takich warunków, korzysta się z tego, że współczynnik załamania powietrza jest zbliżony do „n” próżni i bada się te same kąty przy przejściu z powietrza do próbki (
). Metoda jest jednak mało praktyczna.

Korzysta się zatem z pomiaru kąta granicznego. Zjawisko to ma miejsce gdy promień padający pada pod kątem zbliżonym do
, wtedy kąt załamania przybiera wartość maksymalną zwaną graniczną i stąd:

Ta metoda jest prosta i skuteczna, dlatego często się ją stosuje.

Do pomiaru współczynnika załamania światła stosuje się refraktometry. Poniżej znajduje się opis i metodyka obsługi refraktometru działającego na zasadzie refraktometru Abbego. Głównym elementem są dwa prostokątne pryzmaty. Są one wykonane z substancji o dużym - (większym od badanej substancji) - współczynniku załamania światła. Są to najczęściej odpowiednie gatunki szkła. Pomiędzy oba pryzmaty wprowadza się badaną substancję (musi nią być ciecz izotropowa). Promień przechodzi najpierw pryzmat pierwszy, następnie przez badaną ciecz, po czym trafia do pryzmatu drugiego. Z pośród wszystkich promieni najistotniejszy jest ten, który pada pod kątem granicznym. Rozdziela on pole widzenia na część jasną i ciemną. Ponieważ używany jest promień światła białego, ulega on na pryzmatach dyspersji (związane jest to z faktem, promienie o różnej długości fali uginają się pod różnymi kątami w wyniku czego otrzymujemy efekt tęczy). Aby uniknąć rozdział na spektrum barw, promień przechodzi przez pryzmat Amiciego. Pozwala on uzyskać ostry, jednolity obraz. Układ który usuwa efekt dyspersji zwany jest kompensatorem. Tak sformowany promień trafia do lunetki, w której regulując obraz pod niciami pajęczymi odczytuje się ze skali współczynnik załamania światła.

Refrakcja, o której mowa w ćwiczeniu pojawia się w równaniu:

Gdzie:
;

Ponieważ:

Stąd:

Po przemnożeniu przez M (masę molową) otrzymujemy refrakcję molową:

Jak widać refrakcja jest funkcją współczynnika załamania światła i gęstości.

LITERATURA:

J. Ceynowa: „Podręcznik do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii fizycznej”, UMK, Toruń 1999, ss. 236-247

WYKAZ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH.

Mocznik: 57-13-6

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wartości refrakcji właściwej oraz refrakcji molowej badanej substancji. Celem jest zapoznanie się z prawami rządzącymi refraktometrią oraz nauka obsługi sprzętu do pomiaru refrakcji.

WNIOSKI.

Wnioski z doświadczenia są następujące. Po pierwsze doświadczenie cechuje się bardzo dużą precyzją. Istnieje możliwość dokonania bardzo dokładnych pomiarów rzadko spotykanych na pracowni. Istotne jest też to, że pomiary należą do bardzo prostych. O dokładności pomiarów może świadczyć wartość otrzymanego współczynnika korelacji (99,97%) Jest to wartość bardzo dobra.

Odnosząc się do tego współczynnika można wywnioskować jeszcze jedną rzecz. Okazuje się, że zależność współczynnika załamania światła od stężenia roztworu ma charakter liniowy, a przynajmniej zachowuje taki charakter w badanym przedziale stężeń. Wyznaczona refrakcja właściwa i molowa cechują się bardzo małym odchyleniem standardowym. Błąd standardowy zamyka się w granicach 0,5% co także świadczy o dużej dokładności pomiarów.

Warto też zauważyć że refrakcja (tj. jeden ze współczynników równania opisującego zależność współczynnika załamania światła od stężenia) jest parametrem stałym. Zatem refrakcja jest współczynnikiem proporcjonalności - ale tylko w danej temperaturze.

Mimo iż pomiary zostały wykonane poprawnie można się zastanowić co odpowiada za błędy - znikome ale jednak. W moim mniemaniu mogą to być cztery czynniki. Po pierwsze niewielka dokładność w pomiarze stężeń (dokładność ważenia tylko do 2 miejsc po przecinku). Drugi powód to zanieczyszczenie próbki alkoholem do przemywania pryzmatów. Trzecia kwestia to ewentualne zmiany temperatury pomiarów. Ostatni powód to niedokładne wyznaczenie gęstości roztworów.

Mimo tych czynników, wyniki cechują się dużą dokładnością co oznacza, że nie wywarły one znaczącego wpływu na pomiary.

Analizując wykres można zauważyć, że tylko jeden punkt - odpowiadający największemu stężeniu odbiega nieznacznie od linii teoretycznej. Oznacza to, że albo znajduje się on na granicy liniowego charakteru zależności - mało prawdopodobne - albo - co bardziej przekonywujące - wymienione powyżej czynniki wpłynęły na wynik pomiaru w bardziej znaczący sposób.

---