Визначення температури плавлення

 

Температурою плавлення речовини вважається та темпера­тура, при якій спостерігається перша поява рідинної фази. Від­мінність між температурою, при якій з’являється рідинна фаза, і темпера­турою повного розплавлення речовини для чистих сполук не повинна перебільшувати 0,5°С.

Незначні забруднення речовини іноді сильно знижують температуру її плав-лення, і воно проходить у ширшому інтервалі температур. Таке явище викорис-товують для встановлення іден­тичності двох речовин з однаковою температурою плавлення. Для цього ретельно змішують рівні кількості двох речовин. Якщо темпе-ратура плавлення цієї “змішаної” проби зостається незмінною, роблять висновок про ідентичність речовин. Зниження ж температури плавлення проби є ознакою неіден-тичності цих речовин. Оцінка ідентичності за температурою змішаної проби загально-прийнята, і цей спосіб часто вважають достатнім для винесення остаточного рішення.

Багато органічних речовин плавляться з розкладанням, про що свідчить забарвлення розплаву або виділення газів. Розклад є хі­­мічним процесом, і темпе-ратура, при якій він проходить, залежить в першу чергу від тривалості і швидкості на­грівання, а також від щільності набивки речовини в капілярі, діаметра капіляра і т.п. Не­рідко в ролі характеристики ре­човин, які плавляться з розкладом, в до­відниках наводиться величина температури плав­лення з допов­ненням “розкл.”.

Між температурою плавлення речо­вини і її будовою існує за­лежність. Так, симетрично побудовані молекули плав­ляться при більш високій температурі, ніж їх ізомери.

Температуру плавлення органічної кристалічної речовини можна визначити в капілярі. Речовину в кількості 0,01 г вмі­щують у маленький капіляр, запаяний з одного кінця. Капіляр витягують з добре вимитої і висушеної тонкостінної скляної трубки діаметром 10-12 мм. Досліджувану речовину ретельно розтирають у ступці або на годинниковому склі. Відкритим кінцем капіляра набирають в нього трохи речовини і кидають запаяним кінцем униз в скляну трубку довжиною 80-90 см, поставлену верти­-

кально на лабораторний стіл. Так пов­торюють кілька разів, поки в капілярі утвориться добре ущільнений стовпчик речовини висотою 2 мм. Заповнений капіляр закріплюють гумовим кільцем на термометрі так, щоб проба речовини знаходи-лась на рівні середини кульки термометра. Тем-пературу плавлення сублімованих речовин визна-чають в капілярах, запаяних з обох кінців. Найпростіший прилад для визначення температури плавлення складається із круглодонної колби з бічними отворами для ви­парювання обігрі-вальної рідини (рис. 2.1). Капіляр разом з термо-метром вміщують у пробірку, встановлену в кол-бу. Шийка колби повинна бути довгою, що дозво-ляє зменшити помилку в показниках термометра на ви­ступаючий стовпчик ртуті.

а б Рис. 2.1. Прилад для визначення температури плавлення: а – термометр з капіляром; б – кріплення капіляра з рідиною

 

2. Визначення температури кипіння

 

Температура кипіння є найважливішою константою рідкої речовини. Для її визначення рідину переганяють у відповідному приладі. Чим чистіша речовина, тим вужчий інтервал температур по­чатку і кінця перегонки.

Індивідуальна речовина википає у вузькому інтервалі темпе­ратур: 0,5-1,0°С. Температура кипіння є функцією тиску, тобто від­хилення від нормального тиску впли-ває на величину температури кипіння, тому необхідно враховувати тиск.

При перегонці висококиплячих речовин іноді необхідно вводити поправку до знайденої величини температури кипіння. Якщо при перегонці не ввесь ртутний стовпчик термометра знаходиться в парах рідини, а виступає назовні і постійно охолоджується зовнішнім повітрям, то це спричиняє заниження результатів досліду. Помилка може бути в 6-10°С при 250°С. Помилка може бути виправлена “поправкою на виступаючий стовпчик ртуті”. Поправка до знайденої дослідним шляхом темпе-ратури кипіння розраховується за формулою:

t = kn (t₁ – t₂),

де k - коефіцієнт лінійного розширення ртуті в склі (0,000158 від 0 до 150°С), n - довжина стовпчика ртуті, що виступає і не зігрівається парами рідини; t₁ – темпе-ратура, яку показує термометр; t₂ - середня температура стовпчика ртуті, що висту-пає.

Температура t₂ визначається допоміжним термометром, ку­лька якого щільно притуляється до основного термометра посередині стовпчика ртуті, що виступає.

3. Визначення густини рідкої речовини

 

Густина належить до характерних констант чистої речовини. Величина її зале-жить від температури. Відносну густину найчастіше визначають за водою, густина якої при 4°С приблизно дорівнює одиниці (0,9997 г/см³).

Визначення густини речовини проводять в пікнометрі ємкістю 1-2 мл. Пікно-метр попередньо миють ацетоном, спиртом, ефіром, після чого його просушують в сушильній шафі або продувають по­вітрям за допомогою гумової груші і трубки з капіляром, який вводять всередину пікнометра. Сухий пікнометр зважують на аналітичних вагах при кімнатній температурі. Потім визначають “водне число пі­кнометра”, яке є постійним для кожного пікнометра і відповідає масі води в об’ємі пікнометра при 20°С, приведеній до маси води при 4°С.

Попередньо дистильовану воду кип’ятять у невеликій склянці протягом 10-15 хв. для видалення повітря, яке в ній розчинилось.

Наповнюють нею пікнометр вище риски на шийці пікнометра за допомогою гумової груші, обладнаної трубкою з капіляром. Наповнений пікнометр закріплюють у штатив і поміщають в термо­статовану посудину з водою на 10 хв при 20°С так, щоб рівень рідини в шийці пікнометра був нижчий рівня води в посудині. Не виймаючи пікнометра із склянки, доводять рівень води в шийці пік­нометра до мітки, відбираючи зайву воду за допомогою капіляра або жмутиком фільтрувального паперу. Потім пробку і шийку пік­нометра витирають фільтрувальним папером всередині і зовні.

Пікнометр виймають зі склянки, закривають пробкою і ре­тельно витирають зовні. Отриману масу води в об’ємі пікнометра при 20°С (0,99823) приводять до маси при 4°С. Вирішують пропорцію: зна­ходять масу води в об’ємі пікнометра (Х).

 

Маса води в об’ємі пікнометра при 20°С ₌ 0,99823

Маса води в об’ємі пікнометра при 4° С(Х) 1

Маса 1 мл води при 20°С ₌ 0,99823

Маса 1 мл води при 4°С(Х) 1

 

Отримана величина (Х) є водним числом, або “водною кон­стантою", пікно-метра.

Для визначення густини досліджуваної речовини зважують сухий чистий пікно-метр і звіряють його з масою, визначеною при розрахунку “водної константи”. Потім пікнометр наповнюють досліджуваною рідиною і проводять такі ж заміри, як описано вище для води. Відношення маси речовини в об’ємі даного пікнометра до величини водної константи відповідає густині даної речовини:

де B - водне число пікнометра; m - маса пікнометра з речовиною; m_n - маса порож-нього пікнометра. В лабораторній практиці густину ре­човини часто вимірюють за допомогою набору ареометрів, від­градуйованих при належній температурі і на належну величину густини.

 

4. Визначення показника заломлюваності

 

Показник променезаломлюваності належить до важливих фізичних констант речовини і використовується для ідентифікації рідких речовин та перевірки їх чистоти. Значення показника заломлюваності залежить від температури, причому з ростом температури величина його падає. Зі зміною концентрації розчину величина його також змінюється. Частіш за все показник залом­люваності дається для спектральної лінії жовтого натрієвого полум’я [Д]. Для означення величини показника заломлю-ваності вказують індексами температуру і довжину хвилі, наприклад, .

Показник заломлюваності визначається за допомогою рефрак­тометра. Під час вимірювання слід підтримувати постійну темпе­ратуру. Для рідких органічних речовин показник заломлюваності зна­ходиться в межах від 1,3 до 1,8. На лабораторному рефрактометрі показник заломлюваності визначають до четвертого знака після коми.

Значення показника заломлюваності і густини часто вико­ристовують для зни-ження величини молекулярної рефракції МR_Д, яка також є характеристикою речо-вини:

,

де Mr - відносна молекулярна маса речовини; d - її густина; n - показник заломлю-ваності.

Дослід 2.1. Визначення температури плавлення

Реактиви та матеріали:	речовина (сірчана кислота, вазелінове масло або гліцерин)
Обладнання:	ступка з товкачиком, термометр, годинникове скло, капіляр, штатив з приладом для визначення темпе-ратури плавлення

Висушити речовину і розтерти в ступці на дрібний порошок. Шляхом багато-разового кидання капіляра крізь метрову скляну труб­ку, яка поставлена вертикально на годинникове скло, або за допо­могою скляного волоска внести речовину в капіляр. Висота стовпчика ущільненої речовини повинна бути не більш 2-3 мм.

Штатив з приладом для визначення температури плавлення поставити на стіл (рис. 2.1) В прилад на 2/3 об’єму влити чисту сір­чану кислоту (вазелінове масло або гліцерин). Довідатись про приблизну температуру плавлення запропо­нованої речовини для того, щоб підібрати термометр. Краще всього користуватися уко-роченими термометрами з поділками 0,5; 0,2 або 0,1°С. Бажано, щоб стовпчик ртуті в момент плавлення не виступав за край пробірки.

В отвір приладу з одним із трьох вказаних теплоносіїв закрі­пити на гумовій пробці вибраний термометр. Вздовж пробки бажа­но зробити вузьку канавку для виходу теплого повітря при нагріванні приладу. Прикріпити капіляр зі щільно набитою речовиною до нижньої частини термометра гумовим кільцем.

Зібрати прилад і почати нагрівання. Протягом 10-15 хв нагрівати до темпе-ратури приблизно на 20° нижче передбаченої температури плавлення; потім, змен-шивши полум’я пальника, нагріти з такою швидкістю, щоб температура щохвилини зростала на 2°С, і, нарешті, за 5°С до передбачуваної температури плавлення швидкість на­грівання різко знизити до 0,5° за хвилину.

Уважно стежити за початком плавлення - тим моментом, коли на внутрішніх стінках капіляра з’явиться перша крапля. За­писати тем­­пературу. Продовжити спо-стереження. Кінець плавлення - це та мить, коли речовина в капілярі повністю перетвориться на рідину, стане прозорою і утворить меніск. Записати температуру і загасити пальник.

Спостерігати за рухом ртутного стовпчика рекомендується че­­рез лупу. Якщо стовпчик ртуті в термометрі значно виступає над про­бкою, треба внести поправку на висоту цього стовпчика. Для цього до термометра приладу приєднують другий термометр так, щоб його ртутний резервуар знаходився на середині стовпчика ртуті першого, що виступає, і заміряють температуру повітря.

Поправку t розраховують за формулою

t = 0,00016n (t – t₁),

де: n - число градусів, що виступає у стовпчику ртуті; t - темпе­ратура плавлення; t₁ - температура повітря, заміряна другим термометром.

Поправку t додають до температури, яку спостерігають. Про­­­вести друге (пара-лельне) визначення і, якщо результати визначень збігаються, порівняти знайдену точку плавлення з величиною, вказаною в стандарті або технічних умовах на дослід-жуваний продукт.

Для встановлення ідентичності речовин визначити температуру плавлення “змішаної проби” (за вказівкою викладача).

Контрольні запитання

1. Як визначити приблизну і точну температуру плавлення речовини?

2. Яким чином капіляр заповнюють речовиною?

3. Як визначити поправку на стовпчик ртуті, що виступає?

4. Як визначити поправку до знайденої величини температури кипіння при перегонці висококиплячих речовин?