Лабораторна робота №7. Визначення густини та показника заломлення органічної рідкої речовини.

Густина речовини є однією з головних величин, що характеризують її властивості. Густина являє собою кількість маси речовини в об'ємі. Визначення густини газоподібних, рідких і твердих речовин здійснюється з метою визначення ступеня їх чистоти і ідентифікації, дослідження властивостей, визначення концентрації двокомпонентних розчинів спиртів, кислот і лугів.

• Густина чистої речовини ρ - фізична величина, що дорівнює відношенню маси m речовини до об'єму V, що займає ця речовина:

ρ = m / V

Основною одиницею густини в Міжнародній системі одиниць (СІ) є кілограм на кубічний метр (кг/м³), інші способи вираження густини - г/см³ , г/мл , кг/л , т/м³ - є похідними від основного.

Відносна густина, (relative density) — безрозмірна фізична величина, що дорівнює відношенню густини речовини, яка розглядається, до густини іншої речовини.

Для системного порівняння густин ряду речовин обирають еталонну речовину, якою найчастіше є дистильована вода. Густина дистильованої води при +20 ºС дорівнює 998,203 кг/м³, а при температурі максимальної густини (+4 ºС) становить 999,973 кг/м³: Визначення відносної густини для рідини при +20 ºС зазвичай здійснюється шляхом ділення маси певного об'єму рідини до маси води цього ж обсягу при цій же температурі. При цьому отримують відносну густину речовини щодо густини води при +20 ºС і позначають цю величину як , де цифра зверху ставиться до досліджуваної речовини, а знизу до температури води. Визначають відносну густину за допомогою пікнометра, зважуючи спочатку порожній пікнометр, потім пікнометр з дистильованою водою, а потім пікнометр з досліджуваною рідиною. Відносну густину визначають з наступної формули:

= ρ / ρ₀

де ρ - густина речовини , ρ₀ - густина стандартної речовини.

Щоб визначити густину речовини, необхідно відносну густину помножити на величину абсолютної густини води при температурі вимірювання. Часто можна зустріти величину відносної густини , яка показує густину досліджуваної речовини відносно густини води при 4 ºС. У довідниках також для води наводиться величина 0,99823, що являє собою відносну густину води , яку часто плутають з масою одного см³ води при 20 ºС, i відповідно, помилково надають в системі СІ значення густини для води при 20 ºС величину 998,23 кг/м³.

Оскільки всі тіла змінюють свій об'єм залежно від температури, то, природно, і значення густини будуть коливатися при зміні температури. Так, при зниженні температури густина звичайно збільшується, а при підвищенні — зменшується.

Відносну густину рідини прийнято відносити до температури 20 °С і до густини води при 4 °С. У цьому випадку відносна густина позначається d⁴₂₀. Якщо густину рідини за умовами досвіду визначають не при 20 °С, а при іншій температурі t, її значення d⁴_t може бути перераховано на нормальні значення за формулою:

d⁴₂₀ = d⁴_t + а (t - 20) ,

де d⁴_t - відносна густина досліджуваної рідини при температурі випробування t °С; а- середня температурна поправка на 1 °С. Значення поправок а представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 .

Температурні поправки при визначенні густини

Відносна густина	Поправка а	Відносна густина	Поправка а
0,810–0,820	0,000752	0,880–0,890	0,000660
0,820–0,830	0,000738	0,890–0,900	0,000647
0,830–0,840	0,000725	0,900–0,910	0,000633
0,840–0,850	0,000712	0,910–0,920	0,000620
0,850–0,860	0,000699	0,920–0,930	0,000607
0,860–0,870	0,000686	0,930–0,940	0,000594
0,870–0,880	0,000673	0,940–0,950	0,000581

Вимірювання густини рідин виконують за допомогою приладу пікнометра (рис. 1.97, а), який дозволяє одержувати значення густини з точністю до четвертого знака. У повсякденній практиці найчастіше використовують ареометри (рис. 1.97, б). Існують цілі набори ареометрів, розраховані для рідин з відносною густиною меншою одиниці. Вони дуже зручні, тому що дозволяють визначати відносну густину в широких інтервалах. Дуже зручні для роботи ареометри з вмонтованими в них термометрами, що дає можливість одночасно з визначенням густини вимірювати і температуру середовища.

Рис. 1. Прилади для вимірювання густини: — пікнометри; б —ареометр

Крім цих універсальних приладів існує ціла низка інших, призначених для визначення густин конкретних рідин або розчинів. Для визначення густини молока служать лактометри. Для визначення відносної густини біологічних рідин застосовують урометри. Для визначення вмісту міцності спирту використовують спиртометри (спиртоміри), що показують вміст етилового спирту в градусах, тобто у відсотках за об'ємом. Густину розчинів лужних і кислотних електролітів вимірюють денсиметрами.

Методика визначення. Визначення відносної густини рідин за допомогою пікнометрів. Пікнометр попередньо миють ацетоном, спиртом і етером, після чого висушують, продуваючи в нього повітря гумовою грушею (груша має трубку з капіляром, що вводять у корпус пікнометра). Чистий і сухий порожній пікнометр зважують на аналітичних вагах (m). Потім визначають «водяну константу» пікнометра, тобто масу в обсязі пікнометра, приведену до маси води при 4 °С (температурі, яка відповідає максимальній густині води). Для цього невелику кількість води (дистильованої) кип'ятять у склянці для видалення розчиненого в ній повітря протягом 10—15 хв. Охолодженою до 20 °С водою заповнюють пікнометр на 3—5 мм вище мітки, нанесеної на шийку.

Мал. 2. Пікнометр, занурений у термостатуючу склянку.

Пікнометр закривають пробкою і витримують протягом 20 хв при 20 °С у водяному термостаті Слідкують, щоб рівень води в шийці пікнометра був нижче рівня води в термостаті (рис. 2). При цій температурі доводять рівень води в пікнометрі до мітки за допомогою звернутого трубкою фільтрувального паперу. Пікнометр знову закривають і витримують в термостаті ще 10 хв., перевіряючи положення меніска по відношенню до мітки. Потім пікнометр виймають із термостата, протирають зовні мякою тканиною досуха (або шматочком фільтрувального паперу). Залишають під склом аналітичних вагів і через 20—25 хв зважують на аналітичних вагах, з точністю 0,0002г (m1).

Пікнометр звільняють від води, висушують, наповнюють досліджуваною речовиною і проводять ті ж операції, що й з дистильованою водою. Потім зважують пікнометр з рідиною на аналітичних вагах з точністю до 0,0002 г.

Густину досліджуваної рідини ρ₂₀ в г/см³ знаходять за формулою:

m - маса пустого пікнометра, г; m₁ - маса пікнометра з дист. водою, г; m₂ - маса пікнометра з досліджуваною речовиною, г; 0.99823 – значення густини води при 20°С, г/см³.

Густину рідин з невеликою в'язкістю або дуже в'язких речовин зручніше визначати ареометрами, за допомогою спеціальних гідростатичних ваг Мора або гідростатичних пікнометрів. Існують пік-нометри-волюмоміри, призначені для визначення відносної густини порошкоподібних твердих тіл. У таких приладах для змочування твердих речовин застосовуються бензин і гас. За різницею рівнів названих розчинників до і після додавання речовини визначають об'єм узятої наважки. Густина твердого тіла буде рівною відношенню взятої наважки до знайденого об'єму. При виборі розчинника потрібно дотримуватись основної умови — речовина в ньому не повинна розчинятися.

Методика 2. Визначення відносної густини рідин за допомогою ареометра. Ареометри являють собою скляні трубки з розширенням донизу у вигляді кульки, заповненої шротом або спеціальною масою. У вузькій верхній частині ареометра є шкала з поділками. Найменші значення густини нанесені на шкалі вгорі, а найбільші — унизу, тому що глибина занурення ареометра тим більша, чим менша густина.

Для визначення відносної густини досліджувану рідину наливають у скляний циліндр без носика і бажано без поділок, місткістю від 250 до 500 мл. Розмір циліндра має відповідати розміру ареометра. Рідину не можна наливати в циліндр до країв, щоб уникнути її переливання при зануренні приладу. Занурювати ареометр треба обережно, не торкаючись стінок циліндра і не випускаючи з рук ареометра доти, поки не переконаєтеся, що він плаває. При визначенні густини ареометр має знаходитися в центрі циліндра і не торкатися дна. Відлік за поділками шкали ареометра роблять по верхньому меніску рідини. По закінченні роботи ареометр промивають у воді, витирають насухо і вкладають у спеціальний футляр. Ареометри виготовляються з тонкого скла, тому поводитися з ними треба дуже обережно.

Густина речовин залежить від їхньої структури і молекулярної маси. Вуглеводні звичайно легші за воду. Густина алканів менша від густини олефінів, а останні мають меншу густину, ніж ацетиленові вуглеводні з тим же числом атомів карбону в молекулі. На величину густини ненасичених вуглеводнів впливає і місцезнаходження кратного зв'язку. Переміщення подвійного чи потрійного зв'язку в середню частину молекули спричиняє збільшення густини речовин. Уведення в молекули вуглеводнів функціональних груп, що мають оксиген, призводить до збільшення густини, однак її значення залишається менше одиниці. З усіх органічних сполук, що містять оксиген, найменша густина в етерів. Сполуки, що мають дві і більше функціональних груп, звичайно важчі за воду. Густина, що перевищує одиницю, спостерігається ще й у насичених низькомолекулярних карбонових кислотах (наприклад, у мурашиної й оцтової). Цей факт пояснюється асоціацією молекул цих речовин.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Які фізична величина відповідає терміну «густина»?

2. Як змінюється густина у залежності від температури?

3. За допомогою яких приладів можна визначити густину речовин?

4. Як правильно визначити густину рідини за допомогою ареометра?

Показник заломлення

Показник заломлення - важлива константа, що дозволяє визначати ступінь чистоти речовини, уточнити його хімічну природу, а також визначати концентрацію розчинів.

При перетині променем світла поверхні розділу двох прозорих середовищ напрямок променя змінюється, відбувається заломлення променя. Це явище носить назву рефракції, тобто заломлення світла. Кут α, утворений напрямком падаючого променя світла з нормаллю (рис. 3), називається кутом падіння, а кут β, утворений напрямком заломленого променя з продовженням цієї нормалі - кутом заломлення.

• Відповідно до закону заломлення світла, для оптично однорідних середовищ відношення синусів кутів падіння і заломлення є величина постійна і називається показником заломлення:

n = sinα / sinβ

Показником заломлення називають також відношення швидкості поширення світла в повітрі до швидкості поширення світла у досліджуваній речовині.

Сукупність методів фізико - хімічного дослідження рідин, мінералів і розчинів, заснованих на вимірюванні їх показників заломлення, називається рефрактометрією. Основними достоїнствами рефрактометрії є швидкість вимірювань, мала витрата речовини і висока точність (близько 0,01 %). Прилади, що служать для вимірювання показника заломлення, називаються рефрактометрами.

Мал. 3 . Заломлення світла на межі двох середовищ

Найбільше поширення отримав метод визначення показника заломлення, по граничному куту заломлення або повного внутрішнього відображення.

Коли промінь світла потрапляє з середовища 1 з показником заломлення n₁ в середовище 2 з показником заломлення n₂ , то між кутом падіння α і кутом заломлення β існує залежність:

sinα / sinβ = n₁ / n₂ або n₁ sinα = n₂ sinβ

Якщо середовище 1 оптично щільніше середовища 2, то кут падіння променя α менше кута заломлення (рис. 4). Якщо кут падіння поступово збільшувати, то настане момент, коли кут заломлення дорівнюватиме 90°. У цьому випадку промінь у не проходить в друге середовище, а ковзає по поверхні розділу фаз. При подальшому збільшенні кута падіння промінь відображатиметься від середовища 2. Це явище називається повним внутрішнім відображенням, а кут падіння, при якому воно наступає – граничним кутом падіння γ . У цьому випадку останнє рівняння набуває вигляду :

n₂ sin 90° = n₁ sin γ

Мал. 4. Повне внутрішнє віддзеркалення світла

Так як sin 90° = 1, то n₂ = n₁ sin γ

Якщо показник заломлення одного середовища n₁ відомий, то досить виміряти граничний кут γ , щоб визначити показник заломлення досліджуваного середовища n₂.

Важливою деталлю рефрактометрів , заснованих на визначенні граничного кута, є вимірювальна призма з оптичного скла з точно відомим показником заломлення, тому кожен рефрактометр придатний для вимірювання показників заломлення тільки в визначеному діапазоні їх значень.

При розгляданні променів, що вийшли з вимірювальної призми, і наближаються до граничного, поле зору труби рефрактометра виявляється розділеним на освітлену і темну частини, межа між якими відповідає значенню граничного променя.

Показник заломлення залежить від температури і довжини хвилі світла, при яких проводять визначення. У розчинах показник заломлення залежить також від концентрації речовин і природи розчинника.

Для визначення показника заломлення як константи речовини використовується монохроматичне світло. Тому в рефрактометром встановлюються також призми для компенсації різниці в довжині хвилі. Вимірювання проводять при температурі 20 ± 0,3 °С і довжині хвилі, яка відповідає спектральній лінії жовтого натрієвого полум'я (D-лінія),— 589,3 нм, з використанням в якості джерела освітлення денного світла або світла лампи розжарювання. Показник заломлення, визначений за таких умов, позначається індексом n_D.

Рефрактометри настроюють за еталонними рідинами, доданими як комплект до приладів, або за дистильованою водою ( п_D²⁰ = 1,3330).

Показник заломлення сильно залежить від температури. Показник заломлення органічних рідин із зростанням температури на 1 ° С падає на 4^.10^-4 - 5^.10^-4 . Тому, щоб можна було робити вимірювання з точністю до четвертого знака, рідкі зразки необхідно термостатувати з точністю до ± 0,2 ° С.

Температура, при якій відбувалося вимір показника заломлення, вказується при його значенні верхнім індексом ( наприклад , п_D²⁰ , п_D²⁵ ) .

Показник заломлення залежить від концентрації розчинів. В зв’язку з цим, рефрактометрію використовують також для визначення концентрації розчинів, для контролю процесів розділення речовин (наприклад, при перегонці), в аналітичних цілях. Показник заломлення бінарної суміші залежить від концентрації компонентів, яку можна розрахувати, користуючись формулами:

x = ( n - n₀ ) / F ,

де x - масова частка речовини в розчині ; n - показник заломлення розчину ; n₀ - показник заломлення стандартного розчинника розчину при тій же температурі ; F - фактор, що дорівнює величині приросту показника заломлення при збільшенні концентрації на 1% (встановлюється експериментально).

У разі відхилення від лінійної залежності і для точного визначення концентрацій необхідно будувати калібрувальну криву в координатах "концентрація - показник заломлення».

Якщо різниця в показниках заломлення складових розчину дорівнює приблизно 0,1, то точність визначення концентрації рефрактометричним методом може скласти 0,01.

Значення показника заломлення використовується в органічній хімії для знаходження величини молекулярної рефракції М_R речовини , яка є його константою, що не залежить від температури.

Техніка експерименту. Визначення показника заломлення проводиться за допомогою рефрактометра типу ІРФ -454 ( рис. 5).

Перш ніж приступити до визначення, потрібно підготувати рефрактометр до роботи: протерти ватою, змоченою призми, дочекатися випаровування етеру. Прилад готовий до роботи.

Роботу на рефрактометрі проводять в наступному порядку:

1. Рефрактометр встановлюють так, щоб світло падало на віконце освітлювальної призми (при відкритій заслінці 14). Джерелом світла може служити електролампа або денне світло.

2. На чисту поліровану поверхню вимірювальної призми скляною паличкою або піпеткою, не торкаючись поверхні, наносять кілька крапель рідини.

3. Опускають освітлювальну призму і притискають її гачком 4 .

4. Встановлюють окуляр на виразну видимість перехрестя, поворотом дзеркала 11 домагаються найкращою освітленості шкали.

5. Обертанням маховика 16 вводять межу світлотіні в поле зору окуляра. Обертають маховик 17 до зникнення райдужного забарвлення граничної лінії .

6. Маховиком 16 наводять межу світлотіні точно на перехрестя і за шкалою знімають відлік. Індексом для відліку служить нерухомий вертикальний штрих призми 10. Ціна поділки шкали 5^.10^-4. Цілі, десяті, соті і тисячні частки відраховують за шкалою, десятитисячні частки оцінюють на око.

Мал. 5 . Рефрактометр ІРФ 454

1 - направляюча, 2 - рефрактометричний блок, 3 - штуцер, 4 - гачок , 5 - шкала, 6 - ноніус , 7 - штуцер, 8 - рукоятка , 9 - штуцер, 10 - шарнір, 11 - дзеркало, 12 - штуцер, 13 - направляюча, 14 - заслінка, 15 - дзеркало, 16 , 17 - маховики

Мал. 6. Зняття показів

Після закінчення вимірювання обидві призми протирають сухою ватою, потім ватою, змоченою ацетоном або етером. Ці розчинники використовують для видалення рідин, нерозчинних у воді. Розчинні у воді речовини видаляють тампоном, змоченим дистильованою водою, потім протирають сухою і чистою гігроскопічною ватою. Очищення призм треба виконувати дуже акуратно, щоб не подряпати їхню робочу поверхню.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Дайте визначення поняттю «показник заломлення»?

2. Як на практиці визначають відносний показник заломлення? Який прилад для цього використовують?

3. Від яких величин залежить показник заломлення?