Определение показателя преломления (рефрактометрия)

Одной из важнейших характеристик вещества является показатель его лучепреломления. Он может быть использован для идентификации и проверки чистоты вещества, а также для расчета молекулярной рефракции, которая позволяет сделать ряд пред­положений о строении вещества. Показатель преломления опре­деляют методом рефрактометрии. В основе этого метода лежит яв­ление отклонения света на границе раздела двух сред (рис10).

Рис.10. Преломление света на границе двух сред

Показатель преломления n представляет собой отношение си­нуса угла падения света на поверхности раздела двух сред к сину­су угли отражения света:

где с₁ и c₂ – скорости прохождений света в средах 1 и 2. Таким об­разом, показатель преломления – это и отношение скоростей све­та в граничащих средах. Для жидкостей и твердых веществ наиболее часто средой 1 является воздух. Значение показателя преломления зависит от температуры (с ростом температуры его величина уменьшается) и резко меняется с изменением длины волны света и кон­центрации раствора. Поэтому измерения проводят при постоянной температуре и монохроматическом свете. Примеси также влияют на значение показателя преломления. Как правило, значение показа­теля преломления измеряют при длине волны, соответствующей длине волны желтого излучения натрия (D-линия, Х = 589 нм) при 20 °С. При обозначении показателя преломления индексами обяза­тельно указывает температуру и длину волны (n²⁰_D).

 

Лабораторная работа № 1

Перегонка

 

Теоретическая часть

Перегонка является удобным методом очистки и выделения органических соединений. Перегонка– это процесс разделения смеси жидкостей на компоненты, основанный на разнице температур их кипения. Этот метод заключается в нагревании жидкости до кипения с последующей конденсацией паров в холодильнике. При нагревании компоненты смеси выкипают в порядке повышения их температур кипения. Пока выкипает данная жидкость, температура паров над ней остается постоянной и равной температуре кипения. Когда вся жидкость из смеси выделяется, температура возрастает до температуры кипения следующей жидкости. Зависимость температуры от массы (объема) отогнанной жидкости называется кривой перегонки. По кривой перегонки можно установить состав исходной смеси (массу или объем каждого компонента, выкипающего при соответствующей температуре)

По условиям проведения работы различают три способа перегонки жидкостей:

1) при атмосферном давлении (простая и фракционная перегонка);

2) при уменьшенном давлении (перегонка в вакууме);

3) с водяным паром.

Простая перегонка при атмосферном давлении применяется при разделении жидкостей, сильно отличающихся друг от друга по температуре кипения (разница температур кипения должна достигать 80-100°С). При этом виде перегонки дистиллят собирают в один приемник. Простейший прибор для перегонки показан на рис. 11.

Рис. 11. Установка для простой перегонки: 1 – колба Вюрца; 2 – термометр; 3 – нисходящий холодильник Либиха; 4 – аллонж; 5 – приемная колба

 

Размеры колбы Вюрца должны быть такими, чтобы перегоняемая жидкость заполняла не более 2/3 ее объема. При соединении перегонной колбы с холодильником необходимо, чтобы конец ее газоотводной трубки выходил из пробки в холодильник на 2-3 см. Шарик термометра должен быть опущен на 0.5 см ниже отверстия газоотводной трубки. Для равномерного кипения смеси в колбу Вюрца помещают кипятильники (кусочки битого фарфора или стеклянные капилляры, запаянные с одного конца). Если температура кипения перегоняемой жидкости менее 120-150 °С, применяют проточное водяное охлаждение. Если перегоняемая жидкость имеет более высокую температуру кипения, можно использовать непроточную воду (холодильник заполняется водой, а затем перекрывается ее подача) или воздушный холодильник. Перегонную колбу в зависимости от температуры кипения перегоняемого вещества можно нагревать на водяной, масляной, песчаной или воздушной бане. Скорость перегонки регулируют изменением температуры нагревания бани, причем скорость поступления дистиллята в приемную колбу не должна превышать 1-2 капель в секунду. Для обеспечения необходимой скорости перегонки температура в бане должна быть на ~30°С выше температуры перегонки. Пока отгоняется первый компонент смеси, температура перегонки остается постоянной. Резкое повышение температуры свидетельствует о том, что началась перегонка следующего, более высокотемпературного компонента.

Фракционной (дробной) перегонкой разделяют смеси жидкостей, которые отличаются температурой кипения на 50-80°С и не образуют азеотропные смеси. Перегонку осуществляют в приборе (рис. 12), в состав которого входит дефлегматор.

Рис. 12. Установка для фракционной перегонки: 1 – перегонная колба; 2 – дефлегматор; 3 – термометр; 4 – холодильник; 5 – аллонж; 6 – приемная колба

 

В дефлегматоре часть паров конденсируется вследствие охлаждения воздухом. Конденсирующиеся пары, обогащенные высококипящими компонентами смеси, стекают в перегонную колбу. Пары, проходящие через дефлегматор, обогащены летучими фракциями смеси, которые конденсируются в холодильнике и стекают в приемную колбу.

Некоторые органические вещества нельзя перегонять при ат­мосферном давлении, так как они частично или полностью раз­лагаются при температуре кипения. Для очистки таких соедине­ний используют перегонку при пониженном давлении (вакуумную перегонку),так как уменьшение атмосферного давления пони­жает температуру кипения жидкости. Приблизительные расчеты показывают, что снижение давления на 1,3 кПа вызывает пони­жение температуры кипения на 0,5 °С по сравнению с темпера­турой кипения при нормальном давлении. Установка для пере­гонки при пониженном давлении изображена на рис. 13. В верхнюю часть колбы Кляйзена вставляют капилляр с резиновым шлангом и зажимом. Когда система находится под вакуумом, через капил­ляр пропускают воздух. При этом образуется поток очень мелких пузырьков, который соответствует спокойному кипению жидкости («кипятильнички» под вакуумом не работают). Скорость пропускания пузырьков воздуха регулируют зажимом. Колбу Кляйзена соединяют с холодильникам Либиха. Аллонж имеет отвод для соединения системы с манометром и через предохранительную склянку с водоструйным или масляным вакуумным насосом. Если необходимо собрать несколько фракций, то применяют специ­альные более сложные аллонжи-«пауки», которые позволяют при­соединить одновременно несколько приемных колб. Не сбрасывая вакуум, поворотом «паука» можно сменить приемную колбу. Пе­регонную колбу Кляйзена нагревают на бане. Категорически зап­рещается нагревать такую колбу на асбестовой сетке или откры­том пламени, так как это может привести к местному перегреву и разрушению колбы. При работе под вакуумом следует соблюдать ряд правил техники безопасности. Колбу Кляйзена заполняют после того, как прибор проверен на герметичность. Нагревание Жидко­сти начинают после достижения необходимого вакуума. Перегон­ку проводят в защитных очках, Во избежание взрыва нельзя пере­гонять вещество досуха. После окончания перегонки систему следует охладить, а затем медленно впустить воздух.

Рис.13. Прибор для перегонки при пониженном давлении: 1 – колба Кляйзена или круглодонная колба с насадкой Кляйзенa; 2 – капилляр, соединенный с резиновым шлангом с зажи­мом; 3 – термометр; 4 – холодильник; 5 – аллонж; 6 – прием­ная колба; 7 – предохранительная склянка; 8 – манометр

Перегонку с водяным паром используют при очистке веществ, загрязненных большим количеством смолистых примесей, а так­же для соединений, которые кипят при высокой температуре и поэтому не исключена возможность их разложения. Эти вещества должны быть мало растворимы в воде и обладать значительной упругостью пара при температуре кипения воды. Таким методом можно перегнать высококипящий компонент, как жидкий, так и твердый, при атмосферном давлении и температуре около 100 °С. Перегонкой с водяным паром разделяют смеси веществ, из кото­рых только одно способно отгоняться с паром. Прибор для пере­гонки с водяным паром изображен на рис. 14. Парообразователь заполняют водой и соединяют его через тройник с перегонной колбой, содержащей перегоняемую смесь, в которую погружают пароотводящую трубку. Через стеклянную трубку перегонная кол­ба соединяется с холодильником. При помощи газовой горелки или электрической плитки нагревают парообразователь, одно­временно с ним через асбестовую сетку подогревают и перегон­ную колбу. Как только начнется выделение пара в систему, зак­рывают зажим, надетый на резиновую трубку тройника.

Благодаря этому пар быстро поступает в перегонную колбу че­рез пароотводящую трубку, а затем вместе с отгоняемым веще­ством – в холодильник. Спустя некоторое время в приемной кол­бе скапливается эмульсия. Перегонку ведут до тех пор, пока проба дистиллята при охлаждении будет разделяться на две фазы. Когда начнет отгоняться чистая вода, перегонку заканчивают, открыв зажим на тройнике и прекратив нагревание парообразователя. Дистиллят разделяют в делительной воронке. Жидкое органиче­ское вещество высушивают при помощи прокаленного осушителя в соответствии с его химической природой, а твердое вещество – между листами фильтровальной бумаги или в вакуум-эксикаторе.

Рис. 14. Прибор для перегонки с водяным паром: 1 – парообразователь; 2 – тройник с зажимом; 3 – перегонная колба; 4– холодильник; 5 – аллонж; 6 – приемная колба

 

 

Экспериментальная часть

 

Цель работы: определить состав смеси воды с ацетоном по кривой перегонки.

 

Реактивы: смесь воды с ацетоном (состав задает преподаватель) – 100-200 г.

Приборы и посуда: перегонная колба – круглодонная колба емкостью 250 см ³ или 500 см ³; холодильник Либиха; конические колбы с пробками емкостью 100 или 250 см³; мерный цилиндр емкостью 100 см ³; термометр до 150°С.

 

Порядок работы:

1) провести простую перегонку смеси воды с ацетоном;

2) записывать зависимость объем отгона от температуры (кривая перегонки).

 

Методика работы: Получить у преподавателя исходную смесь (100-200 г). Определить объем и массу смеси – взвесить сухую колбу с пробкой, перенести в колбу смесь и взвесить закрытую колбу со смесью. Взвешивание производить на технических весах с точностью до 0.1 г.

В перегонную колбу поместить несколько кипятильников (или запаянных капилляров), влить всю смесь и собрать установку для простой перегонки (рис. 11), подставив к нижнему концу холодильника приемник – мерный цилиндр. Нагревание колбы во время перегонки регулировать таким образом, чтобы дистиллят поступал в приемник со скоростью 30-40 капель в минуту. Фиксировать объем отгоняемой жидкости с помощью мерного цилиндра и температуру отгона по термометру. Перегонку прекратить, когда в перегонной колбе останется небольшое количество вещества (3 - 4 см³). Закончить перегонку, выключив нагреватель. Объем компонента, кипящего последним, определить по разности между объемом исходной смеси и отогнанным объемом.

Нельзя перегонять вещество досуха!

Результаты измерений внести в табл. 1.

 

Таблица 1. Кривая перегонки

№ измерения	Температура, ° С	Объем отогнанной жидкости, см3
	Т1	V1
	Т2	V2
…	…	…

Задание. Рассчитать объемную долю ацетона в смеси.

 

Отчет. В отчете должна присутствовать кривая перегонки (зависимость объема отгона от температуры), формулы для расчета объемной доли ацетона в смеси и в выводе – объемная доля ацетона в смеси.

 

Контрольные вопросы

1. Почему объем жидкости в перегонной колбе не должен быть намного меньше половины рабочего объема колбы?

2. Почему при достижении температуры кипения не испаряется мгновенно вся жидкость?

3. Какая ошибка вносится в измеренную температуру кипения, если шарик термометра не полностью омывается парами?

4. Почему при возобновлении прерванной накануне перегонки на следующий день необходимо сменить кипятильники?

5. Перечислите известные Вам критерии чистоты органического вещества.

 

 

Лабораторная работа № 2

 

Экстракция

Экстракция – это способ разделения твердых или жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов смеси в различных растворителях.