Marcin Usarzewicz. 04.03.2002.

Uzupełnienie ćwiczenia nr 18.

Refrakcja substancji rozpuszczonych.

1. Teoria.

Promień padający na płaską granicę dwóch ośrodków przezroczystych o różnych gęstościach optycznych ulega częściowo odbiciu, a częściowo wnika do drugiego zmieniając swój kierunek. Kąty promienia padającego i promienia odbitego mierzone względem prostej prostopadłej do powierzchni granicznej są sobie równe natomiast kąt załamany jest zazwyczaj od nich mniejszy. Zjawiska odbicia i załamania światła są opisywane ilościowo przez prawa Snelliusa :

• promienie odbite i załamane leżą w jednej płaszczyźnie

• kąt odbicia jest równy kątowi padania,

• stosunek sinusów kąta padania i załamania jest zawsze równy stałej zwanej, współczynnikiem załamania.

Współczynnik załamania zależy od właściwości optycznych obu ośrodków, temperatury oraz długości fali światła padającego. Ośrodkiem rzadszym nazywamy ten, w którym prędkość fali jest większa. W praktyce wyznacza się współczynnik załamania, gdy światło przechodzi do badanego ośrodka z powietrza.

W celu umożliwienia porównania własności optycznych substancji w różnych temperaturach wprowadzono funkcję zwaną refrakcją, która jest zależna od współczynnika załamania n i gęstości d danej substancji. Na podstawie teorii falowej i elektromagnetycznej światła L. Lorenz i H. A. Lorentz wykazali że zależność ta wyraża się wzorem:

r = (n²-1)/(n²+2)*1/d

Okazało się, że wielkość ta ma charakter addytywny co jest niezmiernie przydatne przy określaniu współczynników załamania substancji zawartych w roztworach, a przy ich znajomości możliwe jest określenie składu roztworu.

Wartość refrakcji właściwej pomnożona przez masę molową nosi nazwę refrakcji molowej. Refrakcja molowa jest wielkością niezależną od temperatury, ciśnienia i stanu skupienia danej substancji, a zależy jedynie od liczby i rodzaju atomów wchodzących w skład cząsteczki oraz od rodzaju wiązań występujących pomiędzy nimi. Dzięki temu wielkość ta jest przydatna w określaniu budowy i struktury nowo odkrytych związków.

Do mierzenia współczynnika załamania światła wykorzystuje się refraktometry Pulfricha lub Abbego, a także interferometry.

2. Literatura.

„Chemia fizyczna”, praca zbiorowa, PWN, W-wa 1980, str. 381-385

„Eksperymentalna chemia fizyczna”, Sobczyk, Kisza, Koll, PWN, W-wa 1982, str. 48-49, 72-75, 126-132.

3. Wykaz substancji wykorzystywanych w ćwiczeniu.

-mocznik -azotan potasu

-kwas winowy -chlorek amonu

-chlorek sodu -sacharoza

Oświadczam, iż zapoznałem się z właściwościami tych substancji i zobowiązuje się do przestrzegania zasad BHP podczas pracy z nimi.

Wzór kwasu winowego.

Wartości refrakcji molowych dla poszczególnych atomów i wiązań [m³/mol]:

• atom węgla: 2,418 10^-6,

• atom wodoru: 1,100 10^-6,

• atom tlenu w grupie -OH: 1,521 10^-6,

• atom tlenu w grupie -C=O: 2,211110^-6.

Wzory.

Refrakcja właściwa:

Refrakcja molowa:

R = r_xM

Oznaczenia:

n, n₁ - współczynnik załamania roztworu i wody

d, d₁ - gęstość roztworu i wody

p - stężenie wagowe roztworu

M - masa molowa substancji rozpuszczonej

Obliczenie refrakcji molowej dla kwasu winowego.

Zgodnie z powyższym wzorem cząsteczka kwasu winowego zawiera cztery ugrupowania -OH, cztery atomy węgla, sześć atomów wodoru oraz dwa atomy tlenu w grupie -C=O. Ponieważ refrakcja molowa ma własności addytywne to jej wartość jest sumą wartości poszczególnych ugrupowań i wynosi 26,778 10^-6 [m³/mol].

Wnioski.

Pomiar refrakcji może być niezwykle pomocny w określaniu składu roztworu np. gdy nie dysponujemy innymi metodami lub gdy ich zastosowanie jest utrudnione czynnikami zewnętrznymi. Dzięki zastosowaniu refrakcji możliwa jest również analiza struktury wewnętrznej oraz składu atomowego nowo odkrytych związków.

---