Определение температуры плавления.

Важнейшим фактором, определяющим точность определения температуры плавления, является скорость подъема температуры. Достаточно удовлетвори- тельные результаты могут быть получены, если температуру поднимают не быстрее, чем на 1 градус за 30 секунд.

Капилляр с веществом закрепляют на термометре с помощью резинового колечка соответствующего диаметра так, чтобы столбик вещества приходился на центр ртутного резервуара. При некотором навыке на термометре можно укрепить несколько капилляров с различными веществами и последовательно определить температуры их плавления.

С целью экономии времени проводят предварительное определение температуры плавления при достаточно быстром подъеме температуры, либо, при определенном навыке, просто над плиткой. Пробное определение температуры плавления можно провести, насыпав небольшую горку тонкоизмельченного вещества непосредственно на ртутный резервуар горизонтально расположенного термометра и нагревая термометр над плиткой. Определенная таким образом температура бывает на несколько градусов завышена по сравнению с истинной. После того, как установлено примерное значение температуры плавления, проводят второе определение в приборе, быстро поднимая температуру до значения примерно на 10-15° ниже приблизительно найденной температуры плавления. Дальнейший подъем температуры уже осуществляют медленно. На рис. 8 изображен прибор для более точного определения температуры плавления в интервале температур от 40 до 210°С. В колбу 1, заполненную серной кислотой или глицерином, вставляется специальная пробирка 2, в которой закреплен термометр 3. Отверстия на внешнем и внутреннем шлифе должны совпадать, чтобы в про- бирке 2 не создавалось давление при нагревании. Металлическое кольцо с ручкой служит для равномерного перемешивания теплоносителя. Капилляр с изучаемым веществом крепиться к термометру — 4.Существуют и другие типы приборов для определения температуры плавления, например, с регулируемой нагревательной спиралью на внутренней пробирке.

Рис. 8. Прибор для определения температуры плавления

 

Началом температуры плавления считают момент появления первых капель жидкости, концом – образование прозрачного расплава и исчезновение последней крупинки твердого вещества.

До появления необходимых навыков следует проводить не менее чем двукратное определение температуры плавления (до совпадающих результатов). Для каждого определения берут свежезаполненный капилляр. При работе использовать защитные очки!

 

Температура кипения

Температура кипения, в отличие от температуры плавления, менее существенно зависит от присутствия в исследуемом веществе незначительных количеств примесей и поэтому не имеет такого же значения в качестве критерия чистоты вещества, как температура плавления.

Чаще температуру кипения определяют в целях идентификации веществ, однако при этом следует иметь в виду, что температура кипения, в отличие от температуры плавления, сильно зависит от давления. Кроме того, для определения температуры кипения требуется достаточно большое количество жидкости и её точное определение связано с определенными трудностями.

Температуру кипения обычно определяют при перегонке жидкости. Чтобы получить удовлетворительные результаты, необходимо соблюдать ряд правил:

– для определения температуры кипения необходимо использовать уже предварительно очищенную перегонкой жидкость; – термометр должен быть вставлен так, чтобы его ртутный резервуар находился на 5 мм ниже бокового отвода;

– скорость перегонки должна быть достаточно медленной (1- 2 капли в секунду); – снимать показания термометра можно только после установления стационарного режима перегонки после отгонки первой фракции;

– жидкость должна кипеть без перегрева.

В качестве температуры кипения принимают интервал между температурами начала и окончания равномерной отгонки основной фракции, при этом всегда указывают давление, при котором проводилось определение. Для высококипящих жидкостей иногда требуется вносить поправку в найденную величину температуры кипения. Это связано с тем, что в некоторых случаях при перегонке не весь ртутный столбик термометра находится в парах жидкости и часть столбика охлаждается внешним воздухом. При температурах до 100° С эта ошибка незначительна, но она может доходить до 3-5° С при температуре 200º С и до 6-10° С при 250° С. Ошибка может быть исправлена прибавлением "поправки на выступающий столбик ртути" (см., например [2, с.57] или [3, с.72]).

Более точно определяют температуру кипения с помощью эбулиометров. Этот метод применяется в точных физико- химических исследованиях при достаточном количестве вещества.

При наличии малых количеств жидкости используют метод Сиволобова. В стеклянную пробирку диаметром 5-10 мм, прикрепленную к термометру прибора для определения температуры плавления, помещают открытым концом вниз капилляр для определения температуры плавления и наливают в пробирку такое количество анализируемой жидкости, чтобы ее верхний уровень был выше уровня нижнего конца капилляра на 3-5 мм. Затем медленно поднимают температуру в приборе до тех пор, пока из отверстия капилляра не начнет выходить быстрая и равномерная струя пузырьков пара, проходящих через слой жидкости. После этого нагревание прекращают и дают прибору медленно охлаждаться до такой температуры, при которой пузырьки пара перестанут выходить из отверстия капилляра. Данная температура и считается температурой кипения.

При идентификации веществ по температуре кипения необходимо учитывать поправку на разницу в давлениях, при которых определялись сравниваемые значения температур. Определение температуры кипения повторяют несколько раз, применяя каждый раз новый капилляр и новую порцию испытуемого вещества. Полученные результаты усредняют, затем эту величину приводят к нормальному давлению и принимают за температуру кипения. Для этого сначала наблюдаемое давление приводят к температуре 0° С, вычитая из показаний барометра:

2 мм рт. столба при температуре окружающей среды 13-20° С, 3 мм рт. столба при температуре окружающей среды 21-28° С, 4 мм рт. столба при температуре окружающей среды 29-35° С.

Затем, пользуясь таблицей, в значение определенной температуры кипения вносят поправку на каждый мм рт. столба отклонения давления от нормального (760 мм рт. столба). При давлении ниже нормального поправку прибавляют, при давлении выше - вычитают.

 

Температурные пределы кипения, °С	Поправка, °С на каждый мм. рт. столба
10..........30	0,035
30..........50	0.038
50..........70	0.040
70..........90	0.042
90..........110	0.045
110.........130	0.047
130.........150	0.050
150.........170	0.052
170.........190	0.054
190.........210	0.057
210.........230	0.059
230.........250	0.062

 

Тонкослойная хроматография

Тонкослойная хроматография (ТСХ) на пластинах представляет собой разновидность адсорбционной хроматографии и является сейчас наиболее быстрым, легким и часто применяемым мето- дом оценки чистоты органических веществ. Кроме того, этот метод нередко применяют для анализа смесей, а также как метод контроля над протеканием реакций. В качестве неподвижной фазы чаще всего используют окись алюминия или силикагель (гидратированный диоксид кремния), которые распределяют равномерно по поверхности стеклянной или металлической пластины. Очень удобны в работе пластинки со слоем адсорбента, закрепленным на пластинке с помощью связующего (гипса). Широкое применение в наших лабораториях находят гото- вые пластинки "Silufol UV 254" (фирмы Cavalier), состоящие из закрепленного с помощью крахмала на алюминиевой фольге слоя силикагеля с флюоресцирующей добавкой.

Если исследуемое вещество (или смесь веществ) – жидкость, то его можно использовать для хроматографического анализа либо в виде раствора в любом легколетучем растворителе, либо непосредственно, без применения разбавителей. Твердые вещества предварительно растворяют в подходящем растворителе (достаточно взять 1-2 крупинки размером с обычные сахарныекристаллики в 2-3 каплях растворителя). Желательно, чтобы растворитель был как можно менее полярным и более летучим, для этой цели обычно применяют хлороформ, гексан и т. п. (Совсем необязательно, чтобы применяемый для этой цели растворитель был и элюентом)

Нанесение веществ.

Анализируемую жидкость наносят на пластинку тонким капилляром диаметром около 0,5 мм, можно и меньше. Рабочий край капилляра должен быть ровным. Капилляр заполняют простым прикосновением его конца к поверхности раствора. На пластинку раствор наносят прикосновением капилляра в точке, отстоящей от одного из краев пластинки примерно на 1,0 — 1,5 см. При нанесении на одну пластину нескольких проб расстояние между ними должно быть не менее 1,5 см. Количество наносимого раствора должно быть таким, чтобы диаметр пятна на пластинке не был больше 0,5 см. Если анализируемый раствор сильно разбавлен, то нанесенное пятно высушивают и вновь наносят пятно в это же место, и так делают несколько раз. Следует отметить, что на качестве хроматограммы сильно сказывается абсолютное коли- чество наносимой пробы и размер стартового пятна. При большом диаметре стартового пятна вещества плохо разделяются. При нанесении излишне больших количеств (даже при нормальном размере стартового пятна) пятна разделяемых веществ имеют "хвосты", также затрудняющие хроматографический анализ. Поэтому рекомендуется сделать несколько пробных хроматограмм для подбора оптимального количества наносимой пробы.

Хроматографирование проводят в плотно закрытой камере, атмосфера которой насыщена парами элюента. В качестве камеры можно использовать стакан или бюкс, накрытый стеклянной крышкой. На дно камеры наливают элюент (индивидуальный растворитель или смесь растворителей с разной полярностью) слоем 3- 4 мм, опускают на дно стакана (или бюкса) пластинку вниз краем с нанесенной пробой и закрывают камеру крышкой (рис. 9). Нельзя допускать, чтобы пятно пробы хотя бы частично было погружено в элюент.

Под действием капиллярных сил элюент смачивает пластинку и поднимается по ней вверх, увлекая за собой вещества, содержащиеся в нанесенной пробе, причем скорость перемещения каждого вещества зависит от его природы и условий проведения хроматографирования (в первую очередь от природы неподвижной фазы и элюента и других факторов).

Когда фронт поднимающегося элюента оказывается на расстоянии примерно 1 см от верхнего края пластинки, ее вынимают из камеры, высушивают (под тягой!) и анализируют полученную хроматограмму.

А Б

Рис. 9. Хроматографические камеры для хроматографических пластинок с закрепленным слоем сорбента (А) и с незакрепленным слоем (Б).

 

Разные вещества проявляются на хроматограмме в виде пятен круглой или вытянутой формы. Общий вид проявленной хроматограммы анализируемых образцов, нанесённых на одну пластинку, приведён на рис.10.

Рис. 10. Проявленная хроматографическая пластинка

 

Для каждого конкретного вещества отношение расстояния, пройденного пятном вещества (АБ), к расстоянию от линии старта до фронта растворителя (АВ) при постоянных условиях хроматографирования (размер пробы, природа пластинки и элюента, угол наклона пластинки и т.д.) есть величина постоянная и обозначается: R_f = АБ / АВ.

Однако строгое соблюдение всех условий хроматографирования весьма затруднительно, и, хотя и имеются табличные значения факторов замедления R_f для ряда веществ, полученные при определенных условиях, для хроматографической идентификации значительно удобнее и надежнее использование свидетеля – индивидуального соединения известного строения, которое присутствует или может присутствовать в анализируемой смеси веществ.

Свидетель наносят на ту же хроматографическую пластинку, что и исследуемую смесь веществ и по совпадению R_f свидетеля и одного из пятен смеси идентифицируют пятно вещества - свидетеля среди пятен смеси.

Если на хроматограмме присутствует только пятно исследуемого вещества и отсутствуют пятна других веществ (примесей), то исследуемое вещество считают хроматографически чистым.

Выбор элюента.

Выбор подходящего растворителя (элюента) во многих случаях сказывает решающее значение на эффективность хроматографического разделения веществ. Поскольку в большинстве случаев разделяемые вещества достаточно полярны, то качественно работает общее правило: чем более полярен элюент, тем сильнее он вытесняет вещество с адсорбента (т. е. пятно вещества перемещается по пластинке с большей скоростью). По способности вытеснять из адсорбента (перемещать вдоль слоя адсорбента) вещества растворители можно расположить в определенном порядке (элюотропный ряд), обычно зависящем от диэлектрической проницаемости растворителя – ε (чем больше ε, тем больше элюирующая способность элюента – элюотропный ряд Траппе):

 

Таблица Элюотропный ряд растворителей Траппе.

 

Элюент	ε	Элюент	ε
Вода	80,0	Хлороформ	5,2
Метиловый спирт	31,2	Хлористый метилен	2,2
Этиловый спирт	25,8	Бензол	2,3
н-Пропиловый спирт	22,8	Толуол	2,3
Ацетон	21,5	Трихлорэтилен	3.4
Дихлорэтан	10,4	Четыреххлористый углерод	2,2
Этилацетат	6,1	Циклогексан	2,0
Амилацетат	5,1	Этиловый эфир	4.4
Диоксан	8,9	Петролейный эфир	1.9

 

 

При хроматографическом анализе смеси веществ стараются подобрать такой растворитель, чтобы пятна всех компонентов смеси равномерно распределялись по пластинке. При хроматографической оценке чистоты индивидуального вещества лучше всего брать элюент, в котором R_f анализируемого соединения около 0,50-0,60 (т.е. пятно на середине пластины). Более достоверные результаты анализа смеси соединений или чистоты образца получают, делая несколько хроматограмм в различных растворителях. Нередко не удается подобрать индивидуальный растворитель, дающий удовле- творяющую химика хроматограмму. В этом случае рекомендуется применять смеси двух (а иногда и трех) растворителей различной (лучше близкой) полярности. Подбор состава смеси начинают с добавления к менее полярному элюенту более полярного в количестве 1-2 %, постепенно увеличивая его долю в пределе до 50%. Начинать подбор растворителя обычно лучше всего с хлороформа, переходя затем к более полярным растворителям, если необходимо поднять пятно, или к менее полярному при необходимости опустить их. Нередко путем правильного подбора элюента (или смеси элюентов) удается не просто поднять или опустить пятно, но и нужным образом "растянуть" хроматограмму.

Обнаружение пятен веществ на хроматограмме.

Многие органические соединения не имеют окраски и поэтому их пятна на хроматограмме невидимы. В большинстве случаев хроматографические пятна можно сделать видимыми путем обработки их парами йода, помещая пластинку в закрытый сосуд, в котором находится немного кристаллического йода. Многие бесцветные пятна можно обнаружить при рассматривании пластинок в УФ-свете (для этого лучше всего использовать пластинки с добавленным к адсорбенту флюоресцирующим индикатором, например, Silufol-UV 254). Су- ществуют и другие приемы проявления пятен.