Zastosowanie refrakcji molowej w analizie jakościowej związków

Wersja z dnia: 2008-02-25
Zastosowanie refrakcji molowej w analizie
jakościowej związków organicznych
Refrakcja molowa określa zależność pomiędzy współczynnikiem załamania światła danej
substancji ciekłej, jej gęstością i masą molową. Oblicza się ja na podstawie równania
Lorenza - Lorentza:
RM =
(n
(n
2
2
)
)
−1 M
⋅
+2 d
gdzie:
n – współczynnik załamania światła
M – masa molowa
d – gęstość substancji
Refrakcję molową najczęściej wyraża się w [m3/mol] lub [cm3/mol].
Refrakcja molowa jest wielkością stałą i charakterystyczną dla danego związku
chemicznego. Nie zależy od ciśnienia i temperatury, zależy natomiast od długości fali
świetlnej, dla której wyznaczono wartość współczynnika załamania światła.
Pomiarów wartości współczynnika załamania światła dokonuje się najczęściej dla długości
fali odpowiadającej linii D widma sodu (λ = 589,3 nm) i oznacza symbolem nD
Refrakcja molowa jest wielkością addytywną; refrakcja molowa danego związku
chemicznego jest sumą refrakcji atomów i wiązań i zależy od sposobu rozmieszczenia
atomów w cząsteczce oraz rodzaju wiązań między tymi atomami.
Obliczając teoretyczną wartość refrakcji molowej związku chemicznego w oparciu o wzór
strukturalny jego cząsteczki (z wykorzystaniem tablicowych wartości refrakcji atomów
i wiązań) i porównując otrzymaną wartość z wynikiem obliczonym na podstawie danych
doświadczalnych tj. gęstości, i współczynnika załamania światła (ze wzoru Lorenza –
Lorentza) można wnioskować o budowie cząsteczki danej substancji.
Cząsteczki o podwójnych wiązaniach sprzężonych wykazują podwyższoną wartość
refrakcji tzw. egzaltację, podwyższonej polaryzowalności zdelokalizowanych elektronów.
Oznaczone doświadczalnie wartości refrakcji molowej są większe od obliczonych przez
sumowanie udziałów wnoszonych przez poszczególne fragmenty struktury cząsteczki.
Tabela 1. Wartości refrakcji molowej
wybranych wiązań chemicznych
Wiązanie
Refrakcja
-6
3
[×10 m /mol]
C-H
C-N
C=N
C-F
C-Cl
C-Br
C-I
C-C
C=C
C≡C
C-O
C=O
C=S
N-H
O-H
S-O
S→O
Pierścień Ar
1,68
1,57
3,76
1,44
6,51
9,39
14,61
1,30
4,17
6,24
1,54
3,32
11,91
1,76
1,66
4,94
0,20
5,20
Refrakcję molową można stosować m. in. do weryfikacji wzoru strukturalnego cząsteczki
badanej substancji chemicznej.
Przykład praktycznego wykorzystania refrakcji molowej w jakościowej
analizie organicznej do
potwierdzenie wzoru strukturalnego cząsteczek
związku chemicznego
W celu potwierdzenia tożsamości nieznanej cieczy organicznej organicznej należy:
a. Zmierzyć gęstość badanej cieczy (metodą piknometryczną)
b. Zmierzyć współczynnika załamania światła badanej cieczy (refraktometrem Abbego)
c. Wyznaczyć wzór sumaryczny badanego związku na podstawie wyników jego analizy
elementarnej CHN
d. Obliczyć eksperymentalną wartość refrakcji molowej dla badanej substancji
e. Zaproponować wzór strukturalny badanej substancji, a następnie obliczyć
teoretyczną wartość refrakcji molowej dla cząsteczki tego związku chemicznego
f. Porównać teoretyczną wartość refrakcji molowej z wartością obliczoną na
podstawie danych eksperymentalnych. Im mniejsza rozbieżność pomiędzy tymi
dwiema wartościami, tym większe prawdopodobieństwo prawidłowego ustalenia
struktury badanego związku
Ad. a:
d = 0,8090 g/cm3
Ad. b:
nD = 1,3980
Ad. c:
Wyznaczony wzór sumaryczny: C4H8O, masa molowa: 74,1216 g/mol
Ad. d:
Refrakcja eksperymentalna:
R Meksp. =
(n
(n
2
2
)
)
(
(
)
)
− 1 M 1,398 2 − 1 74,1216
⋅ =
⋅
= 22,11 × 10 - 6 m 3 /mol
+2 d
1,398 2 + 2 0,8090
Ad. e:
Refrakcja teoretyczna:
1) butanol (dowolny izomer)
Typ
Ilość wiązań
wiązania danego typu
H H H H
Refrakcja
Wkład
wiązania
w refrakcję
-6
3
[×10 m /mol] cząsteczki
C-H
9
1,68
C-C
3
1,30
3,90
C-O
1
1,54
1,54
O-H
1
1,66
Suma:
H
15,12
C C C C
H H H O
H
H
1,66
22,22
2) eter dietylowy
Typ
Ilość wiązań
wiązania danego typu
C-H
10
Refrakcja
Wkład
wiązania
w refrakcję
-6
3
[×10 m /mol] cząsteczki
1,68
Ad. f:
H
16,8
C-C
2
1,30
2,60
C-O
2
1,54
3,08
Suma:
H H
H H
C C O C C
H H
H
H H
22,48
butanol:
R Meksp. − R Mteoret. = 22,11 − 22,22 = 0,11
eter dietylowy:
R Meksp. − R Mteoret. = 22,11 − 22,48 = 0,27
Wniosek: Na podstawie przeprowadzonych obliczeń dotyczących refrakcji molowej,
z większym prawdopodobieństwem można przyjąć, że badaną substancją jest
butanol.