WYZNACZANIE REFRAKCJI MOLOWEJ CIECZY ORGANICZNEJ

Na granicy dwóch ośrodków izotropowych 1 i 2, w których światło rozchodzi się z różnymi prędkościami v₁ i v₂, promień świetlny wchodząc z ośrodka 1 do ośrodka 2 zmienia kierunek swego biegu. Część promieni ulega odbiciu, a część przechodzi przez ośrodek 2 tworząc tzw. wiązkę załamaną.

Jeżeli ośrodek 1 jest optycznie rzadszy od ośrodka 2, wówczas kąt załamania β jest mniejszy od kąta padania α oraz v₁ > v₂. Gdy zaś ośrodek 1 jest optycznie gęstszy od ośrodka 2, promień załamuje się od prostopadłej i wówczas α < β oraz v₁ < v₂.

W obu przypadkach promień padający, promień załamany i prostopadła do powierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie, przy czym oba promienie tworzą takie kąty α i β z prostopadłą, że :

lub n₁sinα = n₂sinβ

Związek ten wyraża prawo załamania. Stałą wartość stosunku sinusów kąta padania i kąta załamania, równą stosunkowi prędkości rozchodzenia się światła w ośrodkach 1 i 2, nazywamy współczynnikiem załamania ośrodka 2 względem ośrodka 1 i oznaczymy przez n_2,1.

Dla próżni współczynnik załamania n₀ = 1 ⇒ sinα = n*sinβ , n nazywamy bezwzględnym współczynnikiem załamania.

Kąt α, dla którego kąt załamania jest kątem prostym (β = 90°), nazywamy kątem granicznym (α = α_gr). Dla kątów padania większych od kąta granicznego zachodzi tzw. całkowite odbicie. Wszystkie promienie świetlne wracają wówczas do ośrodka gęstszego, odbijając się od powierzchni odgraniczającej ten ośrodek od ośrodka rzadszego.

Refrakcja właściwa:


,

Refrakcja molowa:

,

gdzie: n - współczynnik załamania światła,

M - masa molowa badanej substancji [g/mol],

d - gęstość badanej substancji [g/cm³].

Refrakcja molowa jest dla związków o wiązaniach kowalencyjnych wielkością addytywną, tak że można ją wyrazić w postaci sumy refrakcji atomowych, odpowiadających poszczególnym atomom w cząsteczce. Refrakcja molowa zależy również od struktury cząsteczki, dlatego też przy dodawaniu do siebie refrakcji atomowych poszczególnych wolnych atomów, należy uwzględniać przy tym typ wiązania. W przypadku związków o wiązaniach jonowych, refrakcja nie jest addytywna. Związane jest to z tym, że w związkach jonowych jony polaryzują się wzajemnie, w wyniku czego tzw. refrakcje jonowe ulegają znacznym zmianom. Addytywność refrakcji jonowych wykazują jedynie bardzo rozcieńczone roztwory elektrolitów, w których wzajemna polaryzacja jonów nie jest możliwa. Refrakcję molową można zatem wyznaczyć drogą ekstrapolacji do rozcieńczenia nieskończenie dużego.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Do pomiarów współczynnika załamania światła otrzymujemy dwie ciecze oraz ich mieszaninę (1 : 1). Pomiary n wykonujemy pięciokrotnie dla każdej cieczy.

ZESTAWIENIE WYNIKÓW I OBLICZENIA

Tabela wyników współczynnika załamania światła oraz wartości otrzymane od prowadzącego ćwiczenia (M₁, M₂, d₁, d₂ oraz wzory sumaryczne).

Substancja 1 (C7H8O)		Substancja 2 (C4H10O)		n
M1 [g/mol]	d1 [g/cm^3]	M2 [g/mol]	d2 [g/cm^3]	Substancja 1	Substancja 2	Mieszanina 1, 2
108,14	1,0453	74,12	0,8098	1,540 1,545 1,542 1,542 1,54	1,40645 1,40645 1,40644 1,40644 1,40645	1,48565 1,48570 1,48565 1,48578 1,48572

Analizując wzory sumaryczne obu substancji możemy stwierdzić iż substancja 1 o wzorze C₇H₈O ma w swoje budowie pierścień aromatyczny oraz grupą - OH, czyli można zaproponować następujące struktury:

Natomiast struktura substancji 2 o wzorze C₄H₁₀O jest związkiem nasyconym może mieć strukturę alkoholu lub eteru:

CH₃CH₂CH₂CH₂OH (CH₃)₃COH (CH₃)₂CHCH₂OH

1 - butanol alkohol 2 - metylopropan- 1 - ol

tert-butylowy

CH₃CH₂CH(CH₃)OH CH₃OCH₂CH₂CH₃ CH₃CH₂OCH₂CH₃

1-metylopropan-1-ol eter metylowo- eter dietylowy

propylowy

CH₃OCH(CH₃) - eter metylowo-izopropylowy.

Tabela 2.

Badana substancja	Gęstość [g/cm^3] w t = 25 [°C]	Współczynnik załamania n	Mrlit. [cm^3/mol]
butan-1-ol	0,8115	1,4079	26,815
butan-2-ol	0,8152	1,4087	26,815
alkohol izobutylowy	0,8071	1,4052	26,815
alkohol tertbutylowy	0,8054	1,4044	26,815
eter dietylowy	0,8138	1,4075	26,815
eter metylowo-propylowt	0,805	1,4024	26,815
eter metylowo-izopropylowy	0,816	1,4079	26,815
alkohol benzylowy	1,0454	1,5403	32,45
o-krezol	1,1350	1,5442	23,45
m-krezol	1,0302	1,5396	32,45
p-krezol	1,0178	1,5311	32,45

Część doświadczalna :

1. Aparatura :

• refraktometr Abbego,

• lampa żarowa,

• naczyńka wagowe,

• pipety.

Odczynniki:

• substancja 1 o wzorze sumarycznym C₅H₁₂O,

• substancja 2 o wzorze sumarycznym C₇H₈O,

• aceton,

• mieszanina substancji 1 i 2 w stosunku 1:1.

2. Celem ćwiczenia było wyznaczenie wzorów strukturalnych badanych substancji i obliczenie refrakcji właściwych i molowych w oparciu o pomiar ich współczynnika załamania światła, wzór sumaryczny i gęstość.

Ponadto dla mieszaniny wyznaczenie składu ilościowego na podstawie pomiaru jej współczynnika załamania światła.

3. Obliczenia :

Refrakcje molowe obliczono w oparciu o Tabelę II.13 zawierającą wartości refrakcji atomowych oraz refrakcji wiązań chemicznych.

Obliczenia przedstawiono w tabeli :

Badana substancja	Gęstość [g/cm^3] w t = 25 [°C]	Współczynnik załamania n	Mrlit. [cm^3/mol]
butan-1-ol	0,8115	1,4079	26,815
butan-2-ol	0,8152	1,4087	26,815
alkohol izobutylowy	0,8071	1,4052	26,815
alkohol tertbutylowy	0,8054	1,4044	26,815
eter dietylowy	0,8138	1,4075	26,815
eter metylowo-propylowt	0,805	1,4024	26,815
eter metylowo-izopropylowy	0,816	1,4079	26,815
alkohol benzylowy	1,0454	1,5403	32,45
o-krezol	1,1350	1,5442	23,45
m-krezol	1,0302	1,5396	32,45
p-krezol	1,0178	1,5311	32,45

Wartości zaznaczone kolorem żółtym są najbardziej zbliżone do wartości charakteryzujących badane substancje.

Wartości ułamków molowych poszczególnych substancji w mieszaninie obliczono ze wzorów :

i

i

Dyskusja wyników i wnioski :

Na podstawie pomiarów i obliczeń ustalono wzory strukturalne związków :

1. pentan-1-ol

CH₃ _ CH₂ _ CH₂ _ CH₂ _ CH₂ _ OH

2. alkohol benzylowy

_ CH₂ _ OH

Refrakcja molowa dla substancji 1 wyznaczona przez komputer wynosi 27,5163. W celu wyznaczenia struktury związku rozpatrywano M_r izomerów alkoholu pentylowego (M_r = 26,815) i eterów o wzorze sumarycznym C₅H₁₂O (M_r = 26,933). Refrakcja molowa eterów jest bliższa refrakcji poszukiwanej substancji, sugerując się zatem tą wartością, przypuszczamy, że naszym związkiem jest eter. Ponieważ wartość współczynnika załamania eterów odbiega od wartości n badanej substancji, należy zatem odrzucić powyższą hipotezę. Kryterium rozstrzygającym, więc w tym przypadku jest gęstość, w oparciu o wartość której, jako substancję poszukiwaną uznano pentan-1-ol, którego d = 0,8115 g/cm³ (d badanej substancji wynosi 0,8120 g/cm³).

W rozważaniach pominięto etery: metylowo-sec-butylowy, metylowo-tert-butylowy, etylowo-izopropylowy, metylowo-izobutylowy ze względu na brak danych fizykochemicznych w literaturze.

W przypadku drugiej substancji wartości refrakcji alkoholu benzylowego i izomerów krezolu są zbliżone do obliczonej przez komputer. Współczynniki załamania światła alkoholu benzylowego i m-krezolu niewiele różnią się od wartości n substancji poszukiwanej, gęstość jednak wskazuje, że badanym związkiem jest pierwsza z wymienionych możliwości (alkohol benzylowy).

Skład ilościowy mieszaniny obliczony przez komputer nie zgadza się z wartościami wyznaczonymi ze wzorów na ułamki molowe. Ta znaczna różnica świadczy o dużym zanieczyszczeniu mieszaniny innymi substancjami.

W celu wyznaczenia składu ilościowego mieszaniny za pomocą refrakcji molowej należy stosować substancje, których współczynniki załamania światła znacznie się różnią - w przypadku naszej mieszaniny różnica ta była niewielka.

W oparciu o tę metodę nie można wyznaczyć ze 100 % dokładnością wzorów strukturalnych badanych związków, co wiąże się z zanieczyszczeniem próbek (śladowe ilości wody znacznie zmieniają wartość n), a w konsekwencji z różnymi od literaturowych wartości współczynników załamania światła i refrakcji molowych.

Wzory strukturalne substancji chemicznych można wyznaczyć innymi metodami z większą dokładnością np. spektroskopia w zakresie nadfioletu i widzialnym, spektroskopia w podczerwieni, spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego czy analiza jakościowa w chemii organicznej.

Wyniki obarczone są błędem, który wynika z :

- zanieczyszczenia próbek,

• niedokładności odczytu wartości współczynnika załamania światła,

• złego oświetlenia pryzmatów,

• trudności ustawienia ostrej granicy cienia tak, aby przecięła punkt skrzyżowania nitek w lunecie,

• błędu pomiaru refraktometru Abbego.

CH₂ - OH

OH

CH₃

OH

CH₃

OH

CH₃

Alkohol

benzylowy

p - krezol

m - krezol

o - krezol

---