Физические методы исследований

Определение температуры плавления

Температуру плавления определяют для идентификации твердого вещества и выяснения степени его чистоты. Температурой плавления считается температура, при которой замечается появление жидкой фазы. Даже незначительные загрязнения сильно понижают температуру плавления исследуемого вещества. Кроме того, плавление при этом происходит в более широком интервале температур.

Прибор для определения температуры плавления (рис. 158) состоит из круглодонной колбы 3 с термостатирующей жидкостью и установленной внутри колбы 2 пробирки, в которую вставляется на пробке термометр 1 с капилляром 4, заполненным испытуемым веществом.

Испытуемое вещество в количестве примерно 0,001 г помещают в маленький капилляр диаметром примерно 1 мм, длиной 40-50 мм, запаянный с одного конца. Капилляр изготовляют из хорошо вымытой и высушенной тонкостенной стеклянной трубки диаметром 10-12 мм.

Исследуемое вещество предварительно тщательно растирают в ступке или на часовом стекле. Открытым концом капилляра набирают в него немного вещества и опускают капилляр запаянным концом вниз в стеклянную трубку длиной 50-60 см, поставленную вертикально на лабораторный стол. При осторожном постукивании капилляра вещество в нем уплотняется. Такую операцию наполнения повторяют несколько раз до получения в капилляре хорошо уплотненного столбика вещества высотой примерно 2 мм. Заполненный веществом капилляр закрепляют на термометре тонким резиновым кольцом (обрезком резиновой трубки шириной 1-2 мм), чтобы проба вещества находилась на уровне шарика термометра.

Нагревание колбы с жидкостью проводят на малом пламени горелки через асбестированную сетку, чтобы температура поднималась медленно. Если температура плавления известна и ее определяют для установления степени чистоты вещества, нагревание можно проводить сначала сравнительно быстро до температуры, лежащей приблизительно на 20 °С ниже предполагаемой температуры плавления. Вблизи точки плавления нагревание следует вести очень медленно, не более 2°С в 1 мин, а за 2-3°С необходимо убрать горелку.

Началом плавления считают появление первой капли в капилляре, а окончанием - исчезновение последних кристаллов вещества. По термометру фиксируют начало и конец плавления; чистое вещество плавится в интервале температур, равном +0,5°С. Определение температуры плавления проводят 2-3 раза из разных, проб до получения близко сходящихся результатов.

Иногда при нагревании происходит удаление кристаллизационной воды или разложение вещества. В этом случае вещество не имеет резко выраженной температуры плавления; температура разложения вещества зависит от скорости нагревания и других условий.

В качестве теплопроводящей жидкости используют воду, если известно, что температура плавления вещества ниже 100°С. Если, температура плавления вещества находится в пределах 200-250°С в колбу наливают концентрированную серную кислоту. Следует помнить, что горячая серная кислота представляет большую опасность в случае поломки прибора. Кроме того, при длительном использовании серная кислота частично разлагается и темнеет. Для ее осветления прибавляют кристаллик нитрата калия. Вместо серной кислоты можно применять парафиновое или силиконовое масло. Парафиновое масло менее теплопроводно, и поэтому возможно неравномерное нагревание прибора. Для определения температуры плавления выше 300 °С применяют смесь 54,5% нитрата калия и 45,5% нитрата натрия. Эта смесь плавится при 218 °С и обеспечивает нагревание до 600 °С.

При определении температуры плавления выше 250 °С иногда применяют металлический блок (рис. 159). Он изготовляется из латуни или меди. В цилиндрический канал 1, имеющийся в центре блока, помещается термометр 2, а в пазы по бокам канала - два капилляра 3 с исследуемым веществом. Смотровые окошки 4 закрыты стеклами, через них наблюдают за плавлением вещества в обоих капиллярах. Блок снизу нагревают горелкой. Недостатком блока является его инерционность, а также необходимость наблюдения за плавлением вещества лишь в проходящем свете, что не очень удобно.

Для определения температуры плавления от 30 до 360 °С удобен прибор, показанный на рис. 160. Термометр 5 с прикрепленным к нему капилляром с исследуемым веществом 4 помещается пробирка 3, которая обогревается электрической спиралью. Прибор смонтирован на подставке 1 из изолирующего материала. С помощью ЛАТРа можно регулировать напряжение в цепи и очень плавно повышать температуру в пробирке, добиваясь высокой точности определения температуры плавления вещества.

Удобно также проводить определение температуры плавления в приборе Тиля (рис. 161). Подача воздуха обеспечивает циркуляцию жидкости, что способствует равномерному ее нагреванию. Имеются также приборы без продувки воздухом; в них достаточное перемешивание жидкости происходит за счет конвекционных токов.

Для установления идентичности двух веществ определяют температуру плавления пробы смеси обоих веществ. Смешанную пробу готовят тщательным растиранием небольших равных количеств обоих веществ. Если вещества различны, то они будут являться примесями друг к другу и температура плавления смешанной пробы будет ниже температуры плавления отдельных веществ. Если же вещества идентичны, то температура плавления смешанной пробы не изменится по сравнению с температурами плавления отдельных веществ.

Определение температуры кипения

Температура кипения является важнейшей константой вещества, по ней можно определить степень чистоты вещества. Температуру кипения жидкости чаще всего определяют при перегонке ее в дистилляционном аппарате. Для более точного определения перегонку проводят из небольшой колбы Вюрца, применяя проверенный термометр. Для обеспечения равномерного нагревания жидкости и избежания ее перегревания в колбу опускают запаянные с одного конца капилляры. Нельзя допускать нагревания стенок колбы выше уровня жидкости, так как в противном случае может происходить перегрев паров жидкости и термометр покажет более высокую температуру. При определении температуры кипения чистой жидкости термометр устанавливают так, чтобы шарик термометра находился под поверхностью жидкости. Если определяют температуру кипения раствора, термометр погружают в жидкость. Перегонную колбу нагревают на небольшом пламени или применяя соответствующую баню. Разность температур начала и полного кипения чистого вещества не должна превышать 0,5 °С.

Для определения температуры кипения малого количества жидкости пользуются микрометодом Сиволобова. В запаянную с нижнего конца тонкостенную стеклянную трубку диаметром 3-6 мм помещают несколько капель (0,5 мл) исследуемой жидкости; опускают в трубку капилляр, запаянный с верхнего конца, и прикрепляют трубку к термометру с помощью резинового кольца (рис. 162). Термометр с капилляром помещают в прибор для определения температуры плавления и медленно нагревают. Отмечают температуру в тот момент, когда из капилляра начнут выделяться пузырьки непрерывной струйкой - это и будет температура кипения жидкости. В момент кипения фиксируют также атмосферное давление.

Температура кипения многих веществ изменяется при отклонении атмосферного давления от 760 мм рт. ст. приблизительно на 3/80 с изменением давления на 1 мм рт. ст. Если определение проведено при давлении p1 меньшем 760 мм рт. ст., то поправку n1 можно вычислить по формуле

Если давление p выше 760 мм рт. ст., то поправку n2 получают из уравнения

Для многих жидкостей поправку к температуре кипения при разных давлениях можно найти в справочниках.