KATEDRA I ZAKŁAD CHEMII LEKÓW

PRACOWNIA BIOFIZYKI

REFRAKCJA MOLEKULARNA

WSTĘP

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z wielkością fizyczną, jaką jest refrakcja

molekularna i z pomiarami refraktometrycznymi. W ćwiczeniu opisana jest metoda

identyfikacji związku chemicznego bazująca na własnościach refrakcji. Pokazane jest

również, jak korzystając z makroskopowych wielkości fizycznych można obliczyć

elektryczny moment dipolowy cząsteczki, wielkość mikroskopową.

SPRZĘT WYKORZYSTYWANY W ĆWICZENIU

- refraktometr Abbego z ultratermostatem,

- zestaw badanych cieczy: substancji czystych i roztworów.

WIADOMOŚCI NIEZBĘDNE DO PRAWIDŁOWEGO WYKONANIA ĆWICZENIA:- prawa odbicia i załamania światła, kąt graniczny, zjawisko całkowitego wewnętrznego

odbicia, - oddziaływanie fali świetlnej z materią,- dyspersja współczynnika załamania, - refrakcja molekularna, dwa sposoby znajdowania refrakcji substancji czystej, - stężenie procentowe (wagowe i objętościowe) roztworu, ułamek molowy roztworu .

LITERATURA

Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki pod redakcją B. Kędzi, PZWL, teoria do ćwiczenia

pt. Refraktometria.

INFORMACJE OGÓLNE

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, która podkreśla związek tej wielkości z cząsteczką jako taką. Refrakcja molowa zależy od długości fali światła stosowanego do pomiaru współczynnika załamania, nie zależy natomiast od temperatury i ciśnienia.

Wiązki światła o różnej długości fali, a więc o różnej częstotliwości, inaczej oddziałują z

materią, a ściślej - z elektronami walencyjnymi, które praktycznie jako jedyne uczestniczą w

tym oddziaływaniu. Tak więc, dla różnych długości fali dany ośrodek charakteryzuje się

różnymi współczynnikami załamania światła.

2

Dla cząstek, w których chmury elektronowe poszczególnych wiązań z sobą nie oddziałują

możliwy jest następujący sposób obliczenia refrakcji molowej:

Refrakcję cząstki obliczamy jako sumę refrakcji wszystkich wiązań występujących w tej

cząsteczce. Wartości refrakcji dla wybranych wiązań podane są poniżej. Dla takich cząstek

refrakcja molowa jest addytywna.

Dla roztworu substancji (1) w substancji (2) obliczamy refrakcję następująco:

(2)

gdzie: R1 i R2 są refrakcjami substancji czystych, a X1 i X2 ułamkami molowymi tych substancji w roztworze. Z drugiej strony, mierząc współczynnik załamania światła dla roztworu, nroztw, i znając jego gęstość, droztw, możemy znaleźć refrakcję korzystając z zależności:

(3)

Ułamek molowy składnika w roztworze jest to stosunek ilości moli składnika do całkowitej ilości moli roztworu. Jego związek ze stężeniem procentowym prześledzimy na przykładzie.

PRZYKŁAD

Dane jest 100 g roztworu propanolu w butanolu. Stężenie wagowe roztworu 40%. Obliczyć

ułamki molowe propanolu i butanolu.

Rozwiązanie:

W 100 g roztworu znajduje się 40 g propanolu i 60 g butanolu. Masy cząsteczkowe propanolu

i butanolu wynoszą 60,10 g/mol i 74,12 g/mol. Ilość moli równa się:

NP = 40/60,10 mola = 0,6656 mola

NB = 60/74,12mola = 0,8095 mola

NCAŁK = NP + NB = 1,4751 mola

Obliczamy szukane ułamki molowe:

XP = NP/NCAŁK = 0,4512 XB = NB/NCAŁK = 0,5488

Ułamek molowy nie zależy od ilości roztworu. Tak więc przeprowadzone wyliczenie jest

prawdziwe dla każdej ilości roztworu, nie tylko dla 100 g.

Przekształcając wyrażenie na otrzymujemy:

Teoria przewiduje więc liniową zależność refrakcji roztworu od ułamka molowego (każdego)

składnika.

3

Zauważmy na koniec, że refrakcja molowa i refrakcja ( w znaczeniu załamania fali) to dwa

zupełnie różne pojęcia.

Posługując się pojęciem refrakcji molekularnej można zidentyfikować nieznany związek

chemiczny. Student otrzymuje próbkę cieczy wraz z nazwami trzech związków chemicznych,

z których jeden jest badaną cieczą. Identyfikacja związku chemicznego polega więc na

wskazaniu, która z trzech wymienionych z nazwy substancji czystych została przez asystenta

wybrana do badania. Znana jest gęstość otrzymanej do badania substancji i znamy (możemy

zmierzyć) jej współczynnik załamania.

Korzystając ze wzoru (1) znajdujemy Reksp dla każdego z trzech wymienionych związków.

Np. dla trzeciego:

Dla rozpatrywanych związków możemy stosować zasadę addytywności refrakcji

molekularnej. W praktyce zasada ta ma zastosowanie dla związków o wysyconych

wiązaniach, czyli przy braku wiązań podwójnych i potrójnych. Obliczamy więc dla każdej z

trzech substancji refrakcję, oznaczaną tutaj przez Rteoret, używając wartości refrakcji wiązań

podanych poniżej.

Wiązanie Refrakcja10-6 m3/mol

Wiązanie Refrakcja10-6 m3/mol

Wiązanie Refrakcja10-6 m3/mol

C-H 1,68 C-Br 9,39 CC 6,24C-N 1,57 C-I 14,61 C-O 1,54C-F 1,44 C-C 1,30 C=O 3,32C-Cl 6,51 C=C 4,17 O-H 1,66

Dla każdego związku chemicznego obliczamy różnicę Reksp – Rteoret. Tylko dla jednego z

nich wynosi ona zero, lub prawie zero. W ten sposób została zidentyfikowana substancja

podana do zbadania.

Cząsteczki niektórych substancji są obdarzone trwałym elektrycznym momentem dipolowym.

Dipol jest układem dwóch ładunków elektrycznych równych co do wartości lecz różniących

się znakiem. Oznaczmy odległość ładunków od siebie przez d, wartość dodatniego ładunku

przez q. Wygodnie jest wprowadzić wielkość zwaną elektrycznym momentem dipolowym,

równą qd. Moment dipolowy, oznaczony tutaj przez , jest wektorem skierowanym wzdłuż

prostej łączącej ładunki, ze zwrotem od ładunku ujemnego do dodatniego. Jednostką

elektrycznego momentu dipolowego jest Cm (kulomb razy metr).

4

Okazuje się, że znajomość refrakcji molowej pozwala wyznaczyć elektryczny moment

dipolowy cząsteczki. Korzystamy przy tym z zależności:

;

P jest polaryzacją molową, 0 jest przenikalnością elektryczną próżni (używa się także nazw

przenikalność dielektryczna i stała dielektryczna próżni), k jest stałą Boltzmana, T to

temperatura w skali bezwzględnej, N jest liczbą Avogadry, jest stałą dielektryczną badanej

substancji, R to refrakcja molowa.

0 = 8,85410-12 C2/(Nm2); k = 1,38010-23 J/K; N = 6,0231023 mol-1.

WYKONANIE ĆWICZENIA.

Część I. Wyznaczanie refrakcji n-butanolu, n-propanolu i ich roztworów

1. W obecności asystenta włącz ultratermostat do sieci. Na termometrze kontaktowym ustaw temperaturę 250C. Przekręć pokrętło do pozycji H2 uruchamiając pompkę i ogrzewanie. Po kilkunastu minutach termostatowania można przystąpić do pomiarów.

2. Zmierz współczynnik załamania światła dla n-butanolu, n-propanolu oraz kilku ich roztworów. Wyniki umieść w Tabeli 1.

3. W trakcie trwania pracowni wylicz ułamki molowe XB i XP dla badanych roztworów.

Część II. Identyfikacja związku chemicznego.

1. Zmierz współczynnik załamania nieznanego, wskazanego przez asystenta związku chemicznego.

2. Podaj wzory strukturalne trzech związków chemicznych, z których jeden jest związkiem szukanym. Odszukaj gęstość badanej cieczy. Podaj wartości refrakcji wiązań występujących w wymienionych trzech związkach.

Część III. Wyznaczanie elektrycznego momentu dipolowego cząsteczki.

1. Zmierz współczynnik załamania następnego związku podanego przez asystenta.2. Znajdź w tablicach fizycznych gęstości i stałą dielektryczną tego związku.

W OPRACOWANIU POWINNY SIĘ ZNALEŹĆ NASTEPUJĄCE ELEMENTY:Część I

Wypełniona do końca Tabela 1. Obliczenia dotyczące występujących tam wielkości. Wykres w zależności od ułamka molowego XP oraz wykres w

zależności od procentowego stężenia c, narysowane na jednym układzie współrzędnych dla łatwiejszego porównania obu przebiegów.

Część II.

Wypełniona do końca Tabela 2. Obliczenia Wniosek – stwierdzenie, który z trzech związków był związkiem badanym.

Część III.

5

Obliczenie momentu dipolowego cząsteczki.

UWAGA: WSZYSTKIE WYNIKI PODAJ Z DOKŁADNOŚCIĄ DO CZTERECH CYFR ZNACZĄCYCH.

PYTANIA PRZYGOTOWAWCZE

1. Prawa odbicia i załamania światła. Jakie wielkości fizyczne zmieniają wartość przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego (ośrodki o różnych gęstościach optycznych), a jakie nie ulegają zmianie?

2. Omów pojęcie kąta granicznego. Czy kąt graniczny zależy od współczynników załamania ośrodków?

3. Czy zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia może zajść, gdy promień świetlny przechodzi z ośrodka rzadszego optycznie do gęstszego? Uzasadnij odpowiedź.

4. Omów zasadę działania refraktometru. 5. Czy refrakcja molowa zależy od długości fali padającego światła? Jeśli tak, to dlaczego? 6. Jak obliczamy ułamek molowy substancji w roztworze korzystając z wagowego stężenia

procentowego? 7. Wykaż, że suma ułamków molowych w każdym roztworze równa się jeden. 8. Opisz metodę identyfikacji związku chemicznego wykorzystywaną w niniejszym

ćwiczeniu. 9. Podaj definicję elektrycznego momentu dipolowego, pokaż na rysunku jego kierunek i

zwrot.

MATERIAŁ Z FIZYKI Z ZAKRESU SZKOŁY ŚREDNIEJ.

Zjawiska odbicia i załamania światła. Całkowite wewnętrzne odbicie. Zwierciadła płaskie.

Zwierciadła kuliste. Płytka równoległościenna i pryzmat. Soczewki i obrazy otrzymywane w

soczewkach. Przyrządy optyczne. Rozszczepienie światła białego w pryzmacie.

Korpuskularno-falowa natura światła. Zjawiska kwantowe. Dyfrakcja i interferencja światła.

Siatka dyfrakcyjna. Polaryzacja światła. Zjawisko fotoelektryczne. Kwantowy model światła.

Model Bohra budowy atomu wodoru. Analiza spektralna. Laser i jego zastosowania.

Właściwości optyczne ciał.

Opracował: dr Marek Wasek, dr Małgorzata Haensel,

6

Tabela 1

% wagowy propanolu

0butanol

20 40 60 80 100propanol

ułamek molowyXB

10

ułamek molowyXP

01

X1M1+X2M2

g/mol

d25

g/cm30,8066 0,8056 0,8041 0,8027 0,8015 0,8004

Robl

cm3/mol22,14 17,52

Rpomiar

cm3/mol

Tabela 2

L.p. Nazwa substancji Reksp Rteoret Reksp - Rteoret

1.

2.

3.

7

NIEKTÓRE STAŁE FIZYCZNE

Masy atomowe ( g/mol)

MH = 1, 0080 – wodórMC = 12,0112 – węgielMO = 15,9994 – tlen

Gęstości wybranych cieczy ( g/cm3)

dalkohol metylowy = 0,788dalkohol etylowy = 0,791dalkohol izopropylowy = 0,786daceton = 0,792d I nieznanej cieczy = 0,8186 d II nieznanej cieczy = 0,6919d III nieznanej cieczy = 0,6594dIV nieznanej cieczy = 0,932dV nieznanej cieczy = 0,902

Stałe dielektryczne – (bezwymiarowe)

próżnia = 1,00000powietrze = 1,00054woda = 78alkohol metylowy = 32,6alkohol izopropylowy = 18,3

Inne stałe

0 = 8,85410-12 C2/(Nm2) - przenikalność elektryczna próżni

k = 1,38010-23 J/K - stała Boltzmana N = 6,0231023 mol-1 - liczba Avogadry

8