Введение
В этой теме вы найдете метод определения температуры кипения, который может быть использован для оценки жидких реактивов. Когда вы получаете странный жидкий реактив, вы можете измерить температуру кипения и сравнить результат с литературными данными выбранного соединения.
Температура кипения соединения - это температура, при которой происходит фазовый переход жидкость-газ. Говоря более техническим языком, это когда давление паров жидкости равно ее давлению (обычно атмосферному). Точки кипения очень чувствительны к изменениям давления, поэтому все точки кипения должны указываться с измеренным давлением. Под "нормальной температурой кипения" понимается температура кипения соединения при давлении 760 мм рт. ст.
Температура кипения соединения является физической константой, как и температура плавления, и поэтому может быть использована для идентификации соединения. Однако, в отличие от точки плавления, точка кипения обычно не используется в качестве показателя чистоты. Нечистые жидкости действительно кипят в диапазоне температур (подобно тому, как точки плавления имеют широкий диапазон), но диапазон температур не очень хорошо коррелирует с чистотой. Таким образом, измерение температуры кипения соединения используется в основном для подтверждения его идентификации.
Экспериментальную температуру кипения часто сравнивают с литературными температурами кипения, которые обычно указываются для давления в 1 атмосферу. Если температура кипения определена при давлении, значительно отличающемся от 1 атмосферы, давление следует скорректировать. Общее правило гласит, что при давлении в пределах 10 % от одной атмосферы падение давления на 10 мм рт. ст. приводит к падению температуры кипения на 0,3-0,5 °C. Другое правило гласит, что при уменьшении давления в два раза температура кипения падает примерно на 10 °C.
Существует множество методов определения температуры кипения образца, включая дистилляцию, рефлюкс и использование трубки Тиле. Наиболее простой метод использует пробирку Тиле и имеет преимущество в том, что для него требуется менее 0,5 мл материала.
Температура кипения соединения - это температура, при которой происходит фазовый переход жидкость-газ. Говоря более техническим языком, это когда давление паров жидкости равно ее давлению (обычно атмосферному). Точки кипения очень чувствительны к изменениям давления, поэтому все точки кипения должны указываться с измеренным давлением. Под "нормальной температурой кипения" понимается температура кипения соединения при давлении 760 мм рт. ст.
Температура кипения соединения является физической константой, как и температура плавления, и поэтому может быть использована для идентификации соединения. Однако, в отличие от точки плавления, точка кипения обычно не используется в качестве показателя чистоты. Нечистые жидкости действительно кипят в диапазоне температур (подобно тому, как точки плавления имеют широкий диапазон), но диапазон температур не очень хорошо коррелирует с чистотой. Таким образом, измерение температуры кипения соединения используется в основном для подтверждения его идентификации.
Экспериментальную температуру кипения часто сравнивают с литературными температурами кипения, которые обычно указываются для давления в 1 атмосферу. Если температура кипения определена при давлении, значительно отличающемся от 1 атмосферы, давление следует скорректировать. Общее правило гласит, что при давлении в пределах 10 % от одной атмосферы падение давления на 10 мм рт. ст. приводит к падению температуры кипения на 0,3-0,5 °C. Другое правило гласит, что при уменьшении давления в два раза температура кипения падает примерно на 10 °C.
Существует множество методов определения температуры кипения образца, включая дистилляцию, рефлюкс и использование трубки Тиле. Наиболее простой метод использует пробирку Тиле и имеет преимущество в том, что для него требуется менее 0,5 мл материала.
Метод дистилляции
Для измерения температуры кипения соединениясуществуют более простые методы, чем дистилляция, и рекомендуется изучить другие варианты (например, трубку Тиле), если это единственная цель. Однако если материалы ограничены или если очистка планируется в любом случае, для определения температуры кипения соединения можно использовать дистилляцию.
Для большинства ситуаций достаточно простой дистилляции (рис. 1), при этом в колбу для дистилляции следует поместить не менее 5 мл образца, а также несколько кипящих камней или мешалку. По мере перегонки основной массы материала самая высокая температура, отмеченная на термометре, соответствует точке кипения. Основной источник ошибок при использовании этого метода - регистрация слишком низкой температуры, до того как горячие пары полностью погружают колбу термометра. Обязательно периодически следите за показаниями термометра, особенно когда идет активная перегонка. Записывайте барометрическое давление вместе с температурой кипения.
Для большинства ситуаций достаточно простой дистилляции (рис. 1), при этом в колбу для дистилляции следует поместить не менее 5 мл образца, а также несколько кипящих камней или мешалку. По мере перегонки основной массы материала самая высокая температура, отмеченная на термометре, соответствует точке кипения. Основной источник ошибок при использовании этого метода - регистрация слишком низкой температуры, до того как горячие пары полностью погружают колбу термометра. Обязательно периодически следите за показаниями термометра, особенно когда идет активная перегонка. Записывайте барометрическое давление вместе с температурой кипения.
Метод рефлюкса
Для определения температуры кипения соединения можно также использовать рефлюксную установку. Рефлюкс - это когда жидкость активно кипит и конденсируется, а сконденсированная жидкость возвращается в исходную колбу. Она аналогична установке для дистилляции, с основным отличием - вертикальным расположением конденсатора.
Рис. 2: a) Рефлюксная установка, b) Вставка цифрового термометра в конденсатор, c) Положение термометра, d) Охлаждение установки
При наличии материалов наилучшая установка для рефлюкса показана на рис. 2b. В ней используются микромасштабный конденсатор и цифровой термометр. Для установки используется 5 мл жидкости и несколько кипящих камней или мешалок. Конденсатор крепится к круглодонной колбе, нижний шланг для воды подсоединяется к патрубку, а верхний сливается в раковину. Важно убедиться, что соединение колбы и конденсатора надежно закреплено. Жидкость доводят до кипения на песчаной бане, а термометр помещают низко в прибор (рис. 2c) так, чтобы нижний дюйм находился между кипящей жидкостью и дном конденсатора. В таком положении термометр может точно измерить горячие пары, а температура стабилизируется на уровне температуры кипения соединения.
Запишите барометрическое давление вместе с температурой кипения.
Хотя может показаться разумным погружать термометр непосредственно в кипящую жидкость, возможно, что жидкость перегрета, или горячее, чем ее температура кипения. После определения точки кипения колбу следует поднять с песчаной бани (рис. 2d) для охлаждения, а конденсатор держать включенным до тех пор, пока колба не станет теплой на ощупь. В этот момент установку можно разобрать.
Если микромасштабный конденсатор недоступен, можно использовать альтернативный методрефлюкса, как показано на рис. 3. Примерно 5 мл образца помещают в среднюю пробирку (18 х 150 мм) с зажатым внутри термометром, чтобы он не касался стенок стекла. Прибор осторожно нагревают на песчаной бане, чтобы рефлюкс происходил контролируемо и пары не выходили из пробирки. Температура во время рефлюкса в конце концов стабилизируется (это занимает некоторое время), и самая высокая отмеченная температура соответствует точке кипения соединения. Температуры кипения, измеренные этим методом, могут иметь значительную погрешность, если температура кипения очень низкая или высокая (<70 °C или >150 °C), так как низкокипящие соединения слишком легко выкипают, а высококипящие - слишком легко охлаждаются.
Запишите барометрическое давление вместе с температурой кипения.
Хотя может показаться разумным погружать термометр непосредственно в кипящую жидкость, возможно, что жидкость перегрета, или горячее, чем ее температура кипения. После определения точки кипения колбу следует поднять с песчаной бани (рис. 2d) для охлаждения, а конденсатор держать включенным до тех пор, пока колба не станет теплой на ощупь. В этот момент установку можно разобрать.
Если микромасштабный конденсатор недоступен, можно использовать альтернативный методрефлюкса, как показано на рис. 3. Примерно 5 мл образца помещают в среднюю пробирку (18 х 150 мм) с зажатым внутри термометром, чтобы он не касался стенок стекла. Прибор осторожно нагревают на песчаной бане, чтобы рефлюкс происходил контролируемо и пары не выходили из пробирки. Температура во время рефлюкса в конце концов стабилизируется (это занимает некоторое время), и самая высокая отмеченная температура соответствует точке кипения соединения. Температуры кипения, измеренные этим методом, могут иметь значительную погрешность, если температура кипения очень низкая или высокая (<70 °C или >150 °C), так как низкокипящие соединения слишком легко выкипают, а высококипящие - слишком легко охлаждаются.
Метод пробирки Тиле
Теория пробирки ТилеМетод пробирки Тиле - один из самых простых методов определения температуры кипения соединений, преимущество которого заключается в использовании небольшого количества материала (менее 0,5 мл образца). Образец помещается в небольшую пробирку вместе с перевернутой капиллярной трубкой. Пробирку присоединяют к термометру (рис. 5) и нагревают внутри трубки Тиле (рис. 4) до температуры, немного превышающей температуру кипения соединения (о чем свидетельствует непрерывный поток пузырьков, выходящих из капиллярной трубки). Затем трубке дают остыть, и в момент всасывания жидкости в капиллярную трубку температура становится равной температуре кипения соединения.
Рис. 4: Аппарат с трубкой Тиле
В данном методе используется определение температуры кипения: температура, при которой давление паров соединения равно атмосферному давлению. Перевернутая капиллярная трубка служит резервуаром для улавливания паров соединения. При нагревании аппарата воздух, первоначально захваченный в капиллярную трубку, расширяется, и из трубки выходят пузырьки (рис. 5 b). При дальнейшем нагревании пары соединения в конце концов вытесняют весь воздух из ловушки, поэтому нагрев проводят до появления непрерывного потока пузырьков.
При охлаждении аппарата давление внутри капиллярной трубки (исключительно за счет паров соединения) сравняется с атмосферным давлением, и тогда пузырьки замедлятся, и в трубку будет всасываться жидкость. Температура, при которой это происходит, и есть точка кипения соединения (рис. 5 d).
При охлаждении аппарата давление внутри капиллярной трубки (исключительно за счет паров соединения) сравняется с атмосферным давлением, и тогда пузырьки замедлятся, и в трубку будет всасываться жидкость. Температура, при которой это происходит, и есть точка кипения соединения (рис. 5 d).
Рис. 5: Определение температуры кипения: а) начальная установка, б) после нагревания до температуры кипения, в) охлаждение, г) жидкость только что вошла в капиллярную трубку (температура равна температуре кипения), д) жидкость находится внутри капиллярной трубки (температура ниже температуры кипения).
Процедура с трубкой Тиле
Рис. 6: a) Трубка Тиле, стрелка указывает на минимальную высоту масла; b) Трубка прикреплена к термометру резинкой; c) Добавление образца; d) Вставка капиллярной трубки
- Возьмите пробирку Тиле и закрепите ее на кольцевой подставке в вытяжном шкафу (рис. 6a). Обычно пробирка заполнена прозрачным минеральным маслом, но оно может потемнеть от окисления или пролитых соединений. Если масло совсем темное, его следует заменить. Масло должно быть заполнено как минимум на 1 см выше верхнего треугольного рычага (соответствующий уровень масла указан на рис. 6a), при слишком низком уровне масло не будет циркулировать так, как нужно (рис. 7c).
- Вставьте термометр в резиновую пробку с одним отверстием и прорезью с одной стороны. Прикрепите к термометру небольшую стеклянную пробирку ("пробирка Дарема" или культуральная пробирка 6 x 50 мм) с помощью маленькой резинки (рис. 6b). Дно пробирки должно быть вровень с дном термометра.
- Заполните пробирку образцом примерно наполовину, для чего потребуется 0,25-0,5 мл образца (рис. 6c).
- Вставьте в образец капиллярную трубку (того же типа, что используется для определения точек плавления) открытым концом вниз и запаянным концом вверх (рис. 6d).
A-D: Последовательность введения и нагревания капиллярной трубки с термометром в трубке Тиле.
Рис. 7: a) Ввод узла в трубку Тиле, b) Резиновая лента находится над маслом, c) Нагревание, d) Энергичное барботирование образца.
- Поместите резиновую пробку и термометр в пробирку Тиле, отрегулировав высоту так, чтобы образец находился посередине (если возможно) внутри пробирки (рис. 7a). Резиновая лента должна быть выше верха минерального масла (рис. 7b), учитывая, что масло может несколько расшириться при нагревании. Термометр не должен касаться стенок стакана, а если касается, то его нужно зажать так, чтобы он больше не касался.
- Осторожно нагрейте масло на боковом рычаге трубки Тиле с помощью микрогорелки, если таковая имеется, или горелки Бунзена, совершая движения вперед-назад (рис. 7c). По мере того как масло нагревается и становится менее плотным, оно будет подниматься и перемещаться вверх по треугольной части трубки. Более холодное и плотное масло будет опускаться, создавая тем самым ток, как показано на рис. 7c). Этот метод - отличный способ косвенного и медленного нагрева образца.
- Хотя в пробирке Тиле не должно быть пузырьков по мере нагревания, они обычно появляются, если пробирка ранее использовалась для определения температуры кипения. При использовании этого метода резинка иногда рвется, в результате чего образец попадает в масло и загрязняет его. Если масло впоследствии не сменить, образец может закипеть при нагревании в пробирке. Можно продолжать нагревать пробирку Тиле при появлении пузырьков.
- Исследования этого метода показали, что лучше всего нагревать масло осторожно и непрерывно, так как остановки и запуски приводят к ухудшению результатов.
- Продолжайте нагревание до тех пор, пока из кончика капиллярной трубки не пойдет мощный поток пузырьков (рис. 7d), причем отдельные пузырьки будут едва различимы. Цель этого шага - удалить воздух, изначально присутствовавший в капиллярной трубке, и заменить его парами образца. Не нагревайте так сильно, чтобы вся проба выкипела. Если пузырьки активно выходят из капиллярной трубки, давление паров внутри трубки превышает атмосферное давление (масло находится при температуре выше точки кипения).
- Выключите горелку и дайте прибору остыть. Пузырьки замедлятся и в конце концов прекратятся. В какой-то момент давление паров внутри капиллярной трубки сравняется с атмосферным давлением, и в трубку начнет поступать жидкость. Температуру кипения следует записать как температуру, при которой жидкость только начинает поступать в капиллярную трубку (рис. 8b).
Рис. 8: Задержка поступления жидкости в капиллярную трубку. Точка кипения должна быть записана как температура при b)
- Запишите атмосферное давление вместе с температурой кипения.
Видеоинструкция по определению температуры кипения
Last edited: