Numer ćwiczenia: 24	Temat ćwiczenia: Refrakcja i wyznaczanie momentu dipolowego.	Data wykonania ćwiczenia: 31.03.2008
				Data oddania sprawozdania: 21.04.2008
Grupa:	Imię i nazwisko: Kinga Patrzałek	Nazwisko sprawdzającego:
Uwagi:		Ocena:

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Refrakcja molowa R jest wielkością określającą zależność współczynnika załamania światła n od gęstości danej substancji d, w odniesieniu do jednego mola substancji.

(1)

We wzorze tym M jest masą molową substancji. Jednostką refrakcji molowej jest cm³/mol lub m³/mol. W użyciu jest również nazwa refrakcja molekularna. Nie zależy od temperatury, ciśnienia, zależy natomiast od długości fali świetlnej, dla której jest wyznaczana wartość współczynnika załamania światła.

Refrakcję cząstki obliczamy jako sumę refrakcji wszystkich wiązań występujących w tej cząsteczce. Refrakcja molowa związków chemicznych jest wielkością addytywną tzn. że refrakcję molową związku można otrzymać przez zsumowanie refrakcji przypisywanych poszczególnym atomom i charakterystycznym typom wiązań występujących w danej cząsteczce :

R = ∑R_i ( na podstawie tego wzoru wyliczono refrakcje atomowe i inkrementów oraz refrakcję wiązań)

gdzie : R_i jest refrakcją poszczególnych atomów , ugrupowań atomowych lub wiązań danej cząsteczki. Każdy typ wiązań wnosi swój udział liczbowy do refrakcji molowej. Dlatego mierząc refrakcję molową bezpośrednio całej cząsteczki i porównując otrzymany wynik z wartością obliczoną teoretycznie na podstawie danych literaturowych można wyciągnąć wnioski dotyczące budowy cząsteczki danej substancji.

Wykorzystując wyznaczoną refrakcję substancji, jej przenikalność dielektryczną oraz jej gęstość można wyznaczyć moment dipolowy cząsteczek polarnych, co zostało wykorzystane w opracowaniu wyników.

2. WYNIKI DOŚWIADCZENIA

Substancja	n	d [g/cm^3]	M [g/mol]
toluen	1,4961	0,87	92,14
aceton	1,3595	0,87	58,08
chloroform	1,4451	1,49	119,38
butanol	1,3996	0,81	74,12
cykloheksan	1,4259	0,78	84,16
aceton + butanol	1,3780	0,80	132,20
C4H8O2	1,4219	1,03	88,10

Objętość acetonu V2 [cm^3]	Objętość cykloheksanu V1 [cm^3]	n12	C12
0,25	24,75	1,4246	27,0
0,50	24,50	1,4238	28,5
1,00	24,00	1,4226	31,0
2,00	23,00	1,4178	35,5
4,00	21,00	1,4090	48,0
5,00	20,00	1,4069	51,5

3. OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Obliczono refrakcje molowe toluenu, acetonu, chloroformu, butanolu i nieznanego związku o wzorze sumarycznym C₄H₈O₂ na podstawie zmierzonych współczynników załamania światła:




gdzie: n - współczynnik załamania światła,

M - masa molowa,

d - gęstość.

Gęstość mieszaniny butanol + aceton obliczono ze wzoru:


.

gdzie: V - objętość piknometru ,

m - masa mieszaniny w piknometrze,

d - gęstość.

Objętość piknometru wyznaczono ze wzoru:




Gęstość mieszaniny wynosi:




Obliczoną wartość refrakcji molowej zestawiono z obliczoną refrakcją atomów i inkrementów (R'_teor) oraz refrakcją wiązań (R”_teor) każdej z substancji.

Rodzaj substancji	Rdośw	R^'teor	R^”teor
toluen	30,93	30,93	31,08
aceton	14,69	16,07	16,04
chloroform	21,33	21,43	21,27
butanol	22,16	22,21	22,33
C4H8O2	20,72

2. Zaproponowano wzory dl akwasu, estru, eteru o wzorze sumarycznym C₄H₈O₂ i dla odpowiedniej struktury obliczono refrakcje R'_teor oraz R”_teor:

Wzory dla kwasu:

Wzoru dla estru:

Wzory dla eteru:

Rodzaj substancji	R^'teor	R^”teor
Kwas masłowy	22,22	22,35
Kwas 2-metylopropionowy	22,22	22,35
Ester metylowy kwasu propionowego	22,33	22,48
Ester propylowy kwasu mrówkowego	22,33	22,48
Ester etylowy kwasu etanowego	22,33	22,48
Ester izopropylowy kwasu mrówkowego	22,33	22,48
Dioksan	21,76	22,18

Na podstawie obliczeń można stwierdzić, że szukanym związkiem jest dioksan, ponieważ jego refrakcja atomów i inkrementów oraz refrakcja wiązań jest najbardziej zbliżona do tej uzyskanej w doświadczeniu. Nie można jednak stwierdzić, że jest to na pewno ten związek, gdyż wszystkie uzyskane te wyniki są do siebie zbliżone.

3. Obliczono refrakcję właściwą (r₁₂) mieszaniny roztworu butanolu i acetonu oraz refrakcje właściwe czystych składników roztworu (r₁ i r₂). Podczas obliczeń korzystano ze wzoru:




Dla acetonu: r₁=0,2534

Dla butanolu: r₂=0,2990

Dla mieszaniny: r₁₂= 0,2882

Korzystając z zależności:

r₁₂= x₁r₁ + x₂r₂= x₁r₁ + (1-x₁)r₂

obliczono ułamek molowy (x₁) oraz jego % wagowy w mieszaninie

x₁= 0,2368

x₂= 0,7632

Zawartość procentowa: aceton- 31,3%

butanol- 68,7%

4. Obliczono ułamki wagowe w₂ acetonu (2) w cykloheksanie (1):




Obliczono także przenikalność dielektryczną kolejnych roztworów na podstawie równania:


,

gdzie:

ε₁- przenikalność dielektryczna cykloheksanu = 2,023

C₀-pojemność elektryczna pustego kondensatora = 16,5 pF

C₁-pojemność elektryczna kondensatora wypełnionego cykloheksanem = 26,5 pF

C₁₂-pojemność elektryczna kondensatora wypełnionego badanym roztworem.

Wyniki obliczeń zebrano w tabeli:

Skład roztworu (w2)
0,01	2,0295	-0,0037	1,7408	-0,2822
0,02	2,0272	-0,0060	1,8466	-0,1764
0,04	2,0238	-0,0094	2,0230	0,0000
0,09	2,0102	-0,0230	2,3405	0,3175
0,18	1,9853	-0,0479	3,2224	1,1994
0,22	1,9794	-0,0538	3,4693	1,4463

5. Narysowano wykresy (
   ) = f(w₂) oraz (
   ) = f(w₂) i wyznaczono wartości współczynników kierunkowych stycznych dle w₂ = 0.




Oraz




Współczynniki kierunkowych stycznych wynoszą:

dla zależności (
) = f(w₂): a = 8,578

(
) = f(w₂): b = -0,256

1. Obliczono moment dipolowy acetonu i porównano go z wartością tablicową. Wykorzystano wzór:





_dośw = 1,147D


_teor = 2,76 D

4. PODSUMOWANIE

Celem ćwiczenia było wyznaczenie refrakcji molowej dla badanych substancji porównanie jej z wartościami tablicowymi oraz na podstawie obliczonej refrakcji, wyznaczyć moment dipolowy.

W pierszej części sprawozdania obliczono refrakcję dla badanych roztworów oraz porównano z refrakcją atomów i inkrementów oraz refrakcją wiązań. Należy przyznać, iż wartości doświadczalne są bardzo zbliżone do wartości tablicowych, co świadczy o poprawności wykonania ćwiczenia. Należało także wyznaczyć szukaną substancję o podanym wzorze sumarycznym. Po obliczeniach można stwierdzić, że jest to dioksym.

Jak wspomniano we wstępie teoretycznym za pomocą znajomości refrakcji oraz przenikalności dielektrycznej o raz gęstości danej substancji można obliczyć moment dipolowy substancji. Niestety wynik nie jest zadawalający i znacznie różni się od wartości teoretycznej, natomiast nie potrafię określić co było przyczyną takiego błędu, ponieważ wcześniejsza treść sprawozdania w pełni się zgadzała z oczekiwaniami.

---