Paweł Tecmer

26.11.2004

ĆWICZENIE NUMER 18

REFRAKCJA SUBSTANCJI ROZPUSZCZONEJ

1. Wstęp teoretyczny:

• Piknometr - szklany pojemnik o znanej objętości służący do oznaczania gęstości cieczy metodą ważenia.

• Odbicie i załamanie fal - tworzenie się nowych fal, zwanych odpowiednio falą odbitą i falą załamaną, przy padaniu fali na powierzchnię oddzielającą 2 ośrodków lub powstawanie nowych fal w jednym ośrodku — na niejednorodnościach ośrodków o rozmiarach większych od długości fali. Fala odbita rozchodzi się w tym samym ośrodku co fala padająca, załamana — w drugim ośrodku, o innych właściwościach. Załamanie fal jest spowodowane zmianą prędkości jej rozchodzenia się. Zakrzywienia biegu promieni fali w ośrodku, w którym prędkość fali zmienia się w sposób ciągły, np. wskutek różnic gęstości lub właściwości elektrycznych, nazywa się często refrakcją fal (niekiedy refrakcją nazywa się każde załamanie fali). Odbicie i załamanie fal wyjaśnia konstrukcja, opierająca się na zasadzie Huygensa, głoszącej, że każdy punkt, do którego dociera fala staje się źródłem wtórnej fali kulistej (obwiednie fal wtórnych tworzą nowe powierzchnie falowe fal odbitej i załamanej). Do zjawiska odbicia i załamania fal stosuje się prawa odbicia i załamania : jeśli fala przechodząc z ośr. 1 do ośr. 2 ulega na granicy tych ośr. odbiciu i załamaniu, to kierunki fal: padającej, odbitej i załamanej, oraz prostopadła do powierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie. Kąt odbicia jest równy kątowi padania. Kąt padania  i kąt załamania  spełniają zależność sin /sin  = v₁/v₂ = n_2,1 gdzie v₁ i v₂ — odpowiednio prędkość fali w ośrodkach 1 i 2, n_2,1 — współczynnik załamania ośrodka 2 względem 1 (tzw. prawo Snella, sformułowane po raz pierwszy 1621 — w nieco innej formie — dla promienia świetlnego przez Snella van Royena). W ośrodkach anizotropowych światło ulega podwójnemu załamaniu (dwójłomność).

• Refraktometr - przyrząd optycznny do pomiaru współczynnika załamania światła różnych ośrodków. Działanie większości refraktometrów jest oparte na wykorzystaniu zjawiska załamania światła w pryzmacie wykonanym z badanej substancji (bezpośrednio wyznacza się kąt najmniejszego odchylenia promienia świetlnego w pryzmacie) lub zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia (odbicie i załamanie fal; refraktometr Pulfricha, refraktometr Abbego ), dokładność pomiaru tymi refraktometrami: 10^-5-10^-4; większą dokładność, 10^-8, osiąga się w refraktometrach interferencyjnych (np. refraktometrze Jamina). Wartość n wyznacza się wówczas z wielkości przesunięcia prążków interferencyjnych, które powstaje po wstawieniu badanego ciała w bieg jednej z dwu interferujących ze sobą wiązek światła. Refraktometry są stosowane głównie do pomiaru bardzo małych współczynników załamania (np. gazów) oraz do badania ich zależności od temperatury i ciśnienia.

• Współczynnik załamania światła - jest to stosunek kąta padania do sinusa kąta załamania, jest wielkością stałą. Jest również określany jako współczynnik refrakcji ,,n''. wyrażą się go wzorem:

, wraz ze zmianą kąta padania zmienia się także kąt załamania, natomiast stosunek sinusów tych kątów dla danej pary ośrodków pozostaje stały. Współczynnik załamania światła wyraża również stosunek dwóch prędkości światła C_I i C_II w ośrodku I i II.

• Refrakcja właściwa - r, wielkość charakteryzująca zależność pomiędzy współczynnikiem załamania światła, a gęstością. Refrakcja właściwa określana jest również jako współczynnik proporcjonalności. Refrakcję można obliczyć, korzystając ze wzoru:
  
  , gdzie r - to refrakcja właściwa, d - gęstość, gęstość -współczynnik załamania światła

• Refrakcja molowa - R_M, wielkość charakteryzująca polaryzację elektronową 1 mola substancji w polu elektromagnetycznym. Jest miernikiem średniej polaryzowalności  cząsteczek
  , gdzie ρ — gęstość, n — współczynnik załamania, M — masa cząsteczkowa substancji, N_A — liczba Avogadra. Refrakcja molowa ma charakter addytywny (jest sumą refrakcji atomowej i refrakcji wiązań) i zależy od długości fali światła stosowanego do pomiaru n; znajomość refrakcji molowej pozwala wyznaczyć polaryzowalność oraz moment dipolowy substancji, a także określić budowę związków org. (obecność wiązań podwójnych, potrójnych, sprzężonych, budowę cykliczną itp.). Jednostką jest
  .

2. Literatura:

• Encyklopedia PWN, Warszawa 2004

• Ceynowa J., Litowski M., Nowakowski R., Ostrowska-Czubenko J., ,,Podręcznik do ćwiczeń laboratoryjnych chemii fizycznej'', wydawnictwo UMK Toruń 1994

• Encyklopedia PWN, Warszawa 2002

• „Chemia eksperymentalna” J. Kisza

3. Wykaz substancji chemicznych stosowanych w zadaniu oraz ich karty charakterystyk:

nazwa	numer CAS	symbole i opis zagrożeń
Mocznik	57-13-6	R: nie dotyczy S: nie dotyczy

4.Oświadczenie:

Oświadczam, że zapoznałem się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane mi są właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych przypadkach.

………………………….

5. Cel wykonania ćwiczenia:

Celem wykonania ćwiczenia numer 18 jest wyznaczenie gęstości roztworów za pomocą piknometru, oznaczenie współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru. Ćwiczenie to uczy obsługi refraktometru, obliczania refrakcji właściwej i przeliczania jej na refrakcję molową.

6 Obliczenia

Wyniki zamieszczam w tabeli.

I Obliczam stężenie w procentach wagowych, zgodnie ze wzorem:

II Obliczam gęstość badanych roztworów, wykorzystując przy tym z masy piknometru z poszczególnymi roztworami.

, gdzie d_x - oznacza gęstość roztworu (x=1, 2, 3,4 ,5), m_x - masę piknometru z roztworem x, m₀ - masę pustego piknometru (19,8559g), a V_p - objętość piknometru.

W celu wyliczenia objętości piknometru wykorzystuję pomiar wody w piknometrze. Mając daną gęstość wody (d=0,997g/cm³) i masę wody w piknometrze mogę obliczyć jego objętość, przekształcając wzór na gęstość:

Poszczególne gęstości roztworów zestawiam w tabeli 2.

III. Obliczam refrakcję właściwą roztworu, zgodnie ze wzorem:

, gdzie r_x - oznacza refrakcję właściwą roztworu x (x =1, 2, 3, 4, 5), n - współczynnik załamania roztworu x, d - gęstość roztworu x, p - stężenie wagowe roztworu x, d_w - gęstość wody

Obliczone refrakcje poszczególnych roztworów umieszczam w tabeli

IV . Obliczam średnią refrakcję właściwą. Jej wymiar podaję poniżej tabeli .

8. Wnioski:

Wyznaczanie refrakcji molowej za pomocą refraktometru jest metodą stosunkowo prostą i dokładną. Wyniki poszczególnych pomiarów nieznacznie od siebie odbiegają, co widoczne jest na wykresie numer 1. Po wyznaczeniu współczynników prostej przedstawiającej zależność refrakcji od stężenia roztworu metodą najmniejszych kwadratów okazało się, że punkt przecięcia prostej z osią rzędnych ma miejsce w 1,3327. Wartość ta oznacza współczynnik załamania światła dla wody. Wyliczona wartość tego współczynnika za pomocą refraktometru wyniosła 1.3328, więc wartości są bardzo zbliżone. Z wykresu można jeszcze odczytać, że współczynnik załamania światła rośnie wraz ze wzrostem stężenia substancji. Zatem współczynnik załamania światła jest wprost proporcjonalny do gęstości badanego roztworu.

Wyznaczona doświadczalnie wartość refrakcji molowej wynosi 27,2559
0,2786 [cm³/mol]. Korzystając z cechy charakterystycznej refrakcji molowej, jaką jest addytywność można jej wartość obliczyć na podstawie refrakcji przypisanych poszczególnym atomom, grupom atomów i charakterystycznym typom wiązań.

3

---