Sprawozdanie 3 - refrakcja molowa PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie z ćwiczenia 3 refrakcja molowa i teoretyczna tytuł...

Description

Wyznaczanie refrakcji molekularnej cieczy Marta Błażejewska, Wiktoria Boral, Dominika Brzęk, Aleksandra Bulenda gr. 1 sekcja A, Śląski Uniwersytet Medyczny WLZ

Abstrakt: Posługując się refraktometrem wyznaczono współczynniki załamania dla wody destylowanej, gliceryny i etanolu o różnych stężeniach. Na podstawie wykresu ustalono możliwe stężenia roztworu x oraz współczynnik załamania dla etanolu o stężeniu 100%. Obliczono refrakcję wszystkich wymienionych wyżej substancji oraz egzaltację refrakcji dla etanolu i gliceryny. Z doświadczenia wywnioskowano, że wraz ze wzrostem stężenia współczynnik załamania światła rośnie aż do wartości stężenia etanolu równej 80%, po przekroczeniu tej granicy nieznacznie spada. Dzięki odczytanym wartościom refrakcji oraz współczynników załamania, ustalono momenty dipolowe dla danych substancji, a następnie porównano je z wynikami tablicowymi - wyznaczone momenty dipolowe okazały się być zaniżone.

Wstęp: Refrakcja molekularna

(R) to parametr charakterystyczny i stały dla danego związku

chemicznego. Ściśle związana z współczynnikiem załamania światła (n). C  harakteryzuje polaryzację elektronową 1 mola substancji w polu elektromagnetycznym i jest określona wzorem:

gdzie: n - współczynnik załamania ρ - gęstość cieczy M - masa molowa R - refrakcja molekularna.

Refrakcja jest wartością addytywną gdy chmury elektronowe wiązań poszczególnych cząsteczek tworzących związek są od siebie niezależne tzn. nie oddziałują ze sobą. Wówczas zsumowane refrakcje wszystkich wiązań równają się refrakcji cząsteczki.

1

Refrakcję cząsteczki można zmierzyć na dwa sposoby - doświadczalnie oraz obliczeniowo. Różnica refrakcji wyznaczonej dwoma sposobami nazywana jest egzaltacją refrakcji i jest ona miarą niezależności wiązań w cząsteczce. Gdy wiązania są od siebie niezależne, egzaltacja jest bliska zeru, natomiast jej wzrost świadczy od odziaływaniu elektronów z różnych wiązań. Znajomość refrakcji molowej pozwala wyznaczyć polaryzowalność oraz moment dipolowy substancji, a także określić budowę związków organicznych. Celem pomiarów było wyznaczenie współczynnika załamania światła i refrakcji molekularnej etanolu, gliceryny i wody destylowanej. Na podstawie otrzymanych danych wyznaczono stężenie badanego roztworu etanolu x. W medycynie pomiar współczynnika załamania dla roztworów o znanych stężeniach, pozwala na w  yznaczenie stężenia m.in. cukru, alkoholu etylowego, a także zawartość białka w surowicy krwi, przy znanym współczynniku załamania roztworu nx. Metoda ta może być stosowana dla wszystkich roztworów, w których zależność współczynnika załamania od stężenia jest wzajemnie jednoznaczna. Metoda pomiarowa: W celu pomiaru współczynnika załamania cieczy posłużono sią REFRAKTOMETREM. Jego główną część stanowi kostka zbudowana z dwóch pryzmatów, wykonanych ze szkła o dużym współczynniku załamania. Pryzmaty te złączone są ze sobą płaszczyznami przeciwprostokątnymi, powierzchnia dolnego pryzmatu jest matowa. Kilka kropel badanej cieczy umieszczamy między pryzmatami. Światło skierowane (w badaniach źródłem była lampka stołowa) zostaje na dolny pryzmat, ulega rozproszeniu na jego matowej powierzchni, a w badanej cieszy rozchodzi się w różnych kierunkach, a zatem na górny pryzmat promienie padają pod różnymi kątami, ale biegną w nim tylko te w obrębie kąta granicznego (γ) . Jest to związane z prawem Snelliusa, które opisuje kąt załamania światła przechodzącego z jednego ośrodka do drugiego.

2

Jest ono opisane wzorem: sin α sin β

=

v1 v2

gdzie: α – kąt padania β – kąt załamania v1 – prędkość światła w ośrodku 1 v2 – prędkość światła w ośrodku 2

Przy przejściu światła z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego dla pewnego kąta padania γ, który nazywamy kątem granicznym, kąt załamania jest równy 90°. Dla tego przypadku ( β = , α = 90°). Jeżeli kąt padania w ośrodku gęstszym jest większy od kąta granicznego, promień nie może przejść do ośrodka rzadszego (nie może się załamać) – na granicy ośrodków następuje wówczas całkowite wewnętrzne odbicie, promień padający odbija się pod kątem równym kątowi padania. W okularze lunety widoczna jest część oświetlona przez promienie z obrębu kąta granicznego (jasną) i część poza kątem granicznym (ciemną. Granica między tymi polami odpowiada kątowi granicznemu. Na podziałce odczytać można bezpośrednio współczynnik załamania cieczy

3

Wyniki i omówienia: Tab 1. tabela pomiarowa - pomiar refrakcji molekularnej wody destylowanej, alkoholu etylowego i gliceryny

Nazwa substancji

Stężenie c [%]

Współczynnik

załamania

światła - n Woda destylowana

0

1,380

Alkohol etylowy

5

1,341

10

1,344

15

1,3475

20

1,3505

25

1,3525

30

1,3545

40

1,360

50

1,366

60

-

70

1,3675

80

1,368

90

1,3675

96

1,366

x

1,3655

Gliceryna

1,4595

Sporządzono wykres zależności współczynnika załamania światła od stężenia: n=f(c) dla alkoholu etylowego (załączony do sprawozdania). Na jego podstawie odczytano wartość nieznanego stężenia Cx, dla nx =  1,3655.

4

Cx1 =  64% lub C x2 =  92,7% n100%= 1,3574%.

→ Obliczono refrakcję molową wody ( Rw ) ze wzoru: M - masa cząsteczkowa, Mw = 18 g ρ - gęstość cieczy, ρw = 1 cm3 Rw =

2

3

1,38 −1 1,38 2 +2

m ] × 181 = 4,17 × 10 −6 [ mol 3

Refrakcja molowa wody wynosi 4,17 × 10 −6 [ mmol ].

→ Obliczono refrakcję molową dla 100% etanolu ( Rdośw ) Rdośw =

2

1,364 −1 1,364 2 +2

×

46,07 ×10 −3 789,5

3

m = 1,3 × 10 −5 [ mol ] 3

Refrakcja molowa etanolu wynosi 1,3 × 10 −5 [ mmol ].

→ O  bliczono refrakcję molową dla dwóch struktur etanolu zawartych w instrukcji do ćwiczeń ( Robl1 i Robl2 )

struktura2 (CH 3) 2O

struktura1 C 2H  5OH Tab 2. Refrakcje molowe niektórych wiązań

WIĄZANIE

REFRAKCJE m3 × 10−6 mol

C-H

1,68

C-C

1,30

C-O

1,54

O-H

1,66

[ ]

5

Robl1 = (5×C − H ) + (1×O − H ) + (1×C − O ) + (1×C − C ) Robl1 = (5×1, 68×10 −6 ) + (1×1, 66×10 −6 ) + ( 1×1, 5 4×10−6 ) + (1×1, 30×10 −6 ) Robl1 = 1, 290×10−5

[ ] m3 mol

Robl2 = (6×C − H ) + (0×O − H ) + (2×C − O ) + (0×C − C ) Robl2 = (6×1, 68×10 −6 ) + (2×1, 54×10 −6 ) Robl2 = 1, 316×10−5

[ ] m3 mol

Egzaltacja refrakcji molekularnej etanolu: m3 m3 Robl1 − Rdośw = 1, 290 × 10−5 − 1, 3 × 10 −5 [ mol ] = -0,01 × 10 −5 [ mol ] −5 m 3 −5 −5 m 3 Robl2 − Rdośw = 1, 316×10 − 1, 3 × 10 [ mol ] = 0,016 × 10 [ mol ] Wartość Robl1 jest bardziej zbliżona do refrakcji molowej dla 100% etanolu ( Rdośw ), dlatego można wnioskować, że badany roztwór 100% etanolu miał strukturę 1. Egzaltacja refrakcji molekularnej czystego etanolu jest bliska zeru, co świadczy o niewielkim odziaływaniu wiązań w cząsteczce.

→ Obliczono refrakcję molową dla 80% roztworu etanolu ( Robl ) Robl = X A RA + X W RW

XW = 1 − XA XA = p=

pM A MA −p(MA −M W )

mA (mA +mW )

m r-ru =100g m a = 80g m w = 20g

6

p=

0,08 (0,8+0,2)

XA =

80 100

= 0, 8 x 18

46−0,8x(46−18)

= 0.011

X W = 1 − 0.011 = 0, 989 ρ A = 0,8425 [g/cm 3] = 842,5 [kg/m 3] 2 1,368 −1 −5 46×10−3 RA = 1,368 2+2 × 842,5 =1,23x 10 R obl = 0 , 0 11 × 1, 2 3 × 10−5 + 0, 989 × 4, 1 7×10−6 = 1, 353×10−7 − 4, 12413 × 10−6 m3 Robl = 4, 26 ×10−6 mol

[ ]

→ Obliczono refrakcję molową Rdośw, w którym: M = XAM A + X W M W 3

-3 m M= (0,011×46×10 ) + (0,989×18×10-3) = 0,0183 [ mol ]

XA MA +XW MW ρ

Rdośw =

n2 −1 n 2+2

Rdośw =

1,368 −1 1,3682 +2

× 2

×

0,0183 896,4

Rdośw = 4, 996×10−6

= 4,996 × 10 −6

[ ] m3 mol

Robl1 − Rdośw = 4, 26 × 10−6 − 4, 996 × 10−6 = − 0, 736 × 10−5

[ ] m3 mol

Egzaltacja refrakcji molekularnej etanolu o stężeniu 80% jest bliska zera, świadczy to o niewielkim oddziaływaniu wiązań w cząsteczce.

→ Obliczono refrakcję molową dla gliceryny RDośw korzystając ze wzoru:

7

R=

1,4595 2−1 1,45952 +2

×

92x 10 −3 1233

→ Obliczono Robl

=2,04 x10

−5

[ ] m3 mol

dla poniżej podanych struktur gliceryny korzystając z tabeli refrakcji

wiązań i zasad addytywności.

Wartości

Robl

dla obu form gliceryny są zbliżone do wartości Rdośw, jednak bliższą

wartość ma forma I. Egzaltacja

Rdośw − Robl1 jest bliska zeru, świadczy to o niewielkim

oddziaływaniu wiązań w cząsteczce.

→ Obliczono moment dipolowy dla cząsteczki wody, etanolu oraz gliceryny wykorzystując wzór (dla T=293K): μ = 1, 27×10−27 ×

√

M ρ

×

(ε−n 2) (ε+2)(n2 +2)

[ Cm]

oraz wartości przenikalności dielektrycznej i momentów dipolowych wybranych substancji przedstawionych w tabeli (Tab. 3) w instrukcji do ćwiczenia.

8

Tab. 3 Wartości przenikalności dielektrycznej i tablicowe wartości momentów dipolowych wybranych substancji

Substancja

Ε

Moment dipolowy μ tabl (D)

Woda

81

1,84

Etanol

25,8

1,7

Gliceryna

40

2,8

8. Obliczenie momentu dipolowego dla cząsteczki wody. ε = 81 μ = 1, 27×10−27 × −30

μ = 2, 66×10 μ = 0.806D

√

18×10−3 1000

×

(81−1,3802 ) (81+2)(1,3802 +2)

[ Cm]

9. Obliczenie momentu dipolowego dla cząsteczki etanolu ε = 25,8 μ = 1, 27×10−27 × μ = 1, 27×10−27 ×

√ √

M ρ

×

(ε−n2 ) (ε+2)(n2 +2)

46×10−3 789,5

×

[ Cm]

(25,8−1,3642 ) (25,8+2)(1,3642 +2)

[Cm ]

μ = 4, 578 ×10−30 [ Cm] μ = 1, 39 D 10. Obliczenie momentu dipolowego dla cząsteczki gliceryny ε = 40 μ = 1, 27×10−27 × μ = 1, 27×10−27 ×

√ √

−30

μ = 5, 692 × 10 μ = 1.72 D

M ρ

×

(ε−n2 ) (ε+2)(n2 +2)

92×10−3 1000

×

[ Cm]

(40−1,45952 ) (40+2)(1,45952 +2)

[Cm]

Wnioski: - Wraz ze wzrostem stężenia, współczynnik załamania światła rośnie. Zależność ta postępuje do stężenia alkoholu etylowego równego 80%, a następnie maleje. - Po ekstrapolacji wykresu n=f(c) do stężenia 100% wyznaczono współczynnik załamania czystego etanolu n=1,364.

9

-

-

-

Z wykresu wynika ,że dla nieznanego stężenia roztwory alkoholu etylowego o n=1,3655, stężenie wynosi 65% lub 92,7%. Refrakcja molekularna zależy od współczynnika załamania światła, co jest zależnością pozwalającą stwierdzić, jaka jest struktura cząsteczki oraz od momentu dipolowego. Obliczone momenty dipolowe względem danych tablicowych są zaniżone. Jest to skutek występowania w układach oddziaływań międzycząsteczkowych dipol-dipol oraz asocjacji cząsteczek. Zgodnie z naszymi obliczeniami alkohol etylowy i gliceryna przybrały formę struktury I cząsteczek.

Dyskusja nad błędami: Wyniki uzyskiwane w doświadczeniu są obarczone błędami powstałymi przy pomiarze, a także błędami wynikającymi z zaokrąglania wartości. PIŚMIENNICTWO: ➢ B. Kędzia, M  ateriały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki , Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 1978 ➢ h ttps://www.umb.edu.pl/photo/pliki/WF_jednostki/zaklad-chemii-fizycznej/cwiczenie _8.pdf ➢ https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/refrakcja-molowa;3966654.html

10

Pomiar kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji oraz skręcalności właściwej roztworu glukozy Marta Błażejewska, Wiktoria Boral, Dominika Brzęk, Aleksandra Bulenda gr. 1 sekcja A, Śląski Uniwersytet Medyczny WLZ

Abstrakt: Został dokonany pomiar kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji światła oraz skręcalności właściwej roztworu glukozy. Obliczona wartość skręcalności właściwej dla roztworu glukozy wynosiła 0,5047 stop*m²/kg. Po dokładnej analizie danych stwierdzono, że wraz ze wzrostem stężenia rośnie wartość bezwzględna kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji, a wartość kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji światła zależy od stężenia badanego roztworu a także od rodzaju badanej substancji. Związki optycznie czynne skręcają płaszczyznę polaryzacji światła, natomiast związki, które nie są optycznie czynne nie skręcają. Dodatkowo stwierdzono, że glukoza skręca światło spolaryzowane w prawo. Zostało wyznaczone również nieznane stężenie dla glukozy x= 0,1592 g/cmᵌ.

Wstęp Istotą pomiaru kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji jest zjawisko polaryzacji światła polegające na uporządkowaniu drgań zachodzących w falach poprzecznych, inaczej na sprowadzaniu drgań do jednego kierunku. Światło spolaryzowane charakteryzuje się tym, że kierunek drgań fali spolaryzowanej liniowo wraz z promieniem wyznacza jedną płaszczyznę, w przeciwieństwie do światła niespolaryzowanego, w którym drgania zachodzą w sposób charakterystyczny, nieuporządkowany, w różnych płaszczyznach. Sama zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła charakteryzuje substancje czynne optycznie, których aktywność optyczna uwarunkowana jest asymetrią budowy cząsteczek. Do takich substancji zaliczamy kryształy enancjomeryczne i roztwory wielu związków organicznych, np. jak w przeprowadzanym przez nas doświadczeniu – roztwór glukozy. Takie cząsteczki nie posiadają płaszczyzny symetrii ani środka symetrii.

Wyjaśnienie zjawiska skręcania

płaszczyzny polaryzacji opracował Augustin Jean Fresnel. Parametrem opisującym to zjawisko jest jego kąt. Jest to kąt, o który należy obrócić analizator, aby pole widzenia w polarymetrze Lippicha ponownie uległo ujednoliceniu zabarwienia, opisywany wzorem: α = [α]cl,

11

gdzie: [α] - skręcalność właściwa roztworu c - stężenie roztworu l - grubość roztworu.

Cel pomiarów Celem doświadczenia było odczytanie kątów skręcania płaszczyzny polaryzacji dla roztworów glukozy o różnych stężeniach, wyznaczenie skręcalności właściwej, a następnie na podstawie wykonanego wykresu α = f(c) odczytanie nieznanego stężenia roztworu. Aspekty medyczne Metoda podobna do wykorzystanej w doświadczeniu stosowana jest w analityce medycznej do badania stężenia glukozy w moczu u osób chorych na cukrzycę. Specjalny przyrząd zwane sacharymetrem to rodzaj polarymetru służacego do wyznaczania stężenia cukru. Badanie zależności kąta skręcalności płaszczyzny polaryzacji w zależności od długości fal świetlnych, czyli tak zwana spektropolarymetria, dostarcza wiele informacji o budowie przestrzennej biopolimerów, m.in. białek czy kwasów nukleinowych.

Metoda pomiarowa Do przeprowadzenia doświadczenia został wykorzystany POLARYMETR Lippicha (półcieniowy) wykorzystujący zdolność oka do dokładnego stwierdzenia, czy jasności sąsiadujących pól są jednakowe.

Ryc. 2. Schemat budowy polarymetru Lippicha.

Ogólna budowa polarymetru składa się kolejno na filtr (F), polaryzator (P) z małym nikolem (N), analizator (A) oraz lunetę. Między polaryzatorem a analizatorem umieszczona jest kuweta z badanym roztworem. Na początku drogi znajduje się źródło światła (Z), natomiast za lunetą oko obserwatora. Dzięki umieszczeniem za polaryzatorem małego nikola

12

uzyskujemy w lunecie dwa pola widzenia: jedno oświetlone przez polaryzator, drugie natomiast oświetlone przez światło z polaryzatora i nikola. Aby przeprowadzić doświadczenie na początku odczytano zero polarymetru, czyli kąt odczytany na kątomierzu, przy którym analizator ustawiony był tak, że widziane światło było jednolite (b). Po wstawieniu kuwety światło zmieniło się na niejednolite (a lub c). Pokręcając analizator przy każdym pomiarze doprowadzano pole widzenia z powrotem do jednolitości zabarwienia (b).

Ryc. 3. Jasność pól widzianych w lunecie polarymetru przez obserwującego.

Do doświadczenia zostały użyte roztwory glukozy o stężeniach: 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 [g/cm3] oraz jeden o nieznanym stężeniu.

Wyniki i omówienie Nazwa substancji

Stężenie [g/cmᵌ]

Pierwszy pomiar α[ᵒ]

Drugi pomiar α[ᵒ]

Trzeci pomiar α[ᵒ]

Wartość średnia α[ᵒ]

Woda destylowana

0

0

0

0

0

0,05

4,45

4,40

4,30

4,38

0,1

10,95

10,90

10,85

10,90

0,15

16,65

16,65

16,70

16,67

0,2

21,05

21,00

21,05

21,03

x

16,70

16,60

16,60

16,63

glukoza

T  ab. 4. Wartości kątów skręcania płaczyzny polaryzacji dla roztworów glukozy o różnych stężeniach.

a) Na podstawie wyników z powyższej tabeli sporządzono wykres zależności kąta skręcalności płaszczyzny polaryzacji światła od stężenia roztworu glukozy. Następnie na podstawie tego wykresu wyznaczono nieznane stężenie glukozy x= 0,1592 g/cmᵌ.

13

b) Korzystając z wyników umieszczonych w Tabeli 4 obliczono wartość skręcalności właściwej dla roztworu glukozy. Obliczenia wykonano na podstawie wzoru: [α]= α/ cl [α] – skręcalność właściwa, α – wartość kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji światła, c – stężenie roztworu, l – grubość próbki. Przykładowe obliczenie dla roztworu glukozy o stężeniu 0,05 g/cmᵌ: α= 4,38ᵒ c= 0,05 g/cmᵌ= 50 kg/mᵌ l= 20,5 cm= 0,205m Zatem [α]= 4,38ᵒ/ (0,205m* 50kg/mᵌ) [α]= 0,4273 stop*m²/kg Dla pozostałych roztworów skręcalność właściwa została obliczona w sposób analogiczny. Obliczono średnią wartość skręcalności właściwej dla roztworu glukozy: [ᾱ]= (0,4273+ 0,5317+ 0,5421+ 0,5129+ 0,5096)/ 5= 0,5047 stop*m²/kg Uzyskane wartości przedstawiono w tabeli 5: Rodzaj substancji

c [kg/mᵌ]

[α][stop*m²/kg]

[ᾱ][stop*m²/kg]

glukoza

50 100 150 200 x= 159,2

0,4273 0,5317 0,5421 0,5129 0,5096

0,5047

T  ab. 5. Wyniki obliczeń skręcalności właściwej roztworu glukozy o różnych stężeniach.

c) Obliczono również błąd względny oraz bezwzględny skręcalności właściwej dla czterech znanych stężeń glukozy. W celu obliczenia wartości błędów skorzystano z poniższych wzorów: - błąd bezwzględny: Δ[α] i= |[α] i [α]|

14

gdzie [α]i– dokładna wartość, [α]– zmierzona wartość np. Δ[α]i= |0,4273- 0,5047|= 0,0774 - błąd względny:

δ= Δ[α]i/ [α]i = 0,0774/0,4273= 0,1811 np. δ =  Δ[α]i/ [α] i Rodzaj substancji

glukoza

c [kg/mᵌ]

Błąd bezwzględny

Błąd względny

50 100 150 200

0,0774 0,027 0,0374 0,0082

0,1811 0,0508 0,06899 0,01599

Tab. 6. Wyniki błędu bezwzględnego i względnego skręcaln...