Определение температуры плавления вещества

Температурой плавления (Т_пл) твердого кристаллического вещества называется температура, при которой оно начинает переходить в жидкое состояние при атмосферном давлении. Абсолютно чистое индивидуальное вещество имеет строго определенную Т_пл. Однако в обычной практике вещество редко удается довести до чистоты, близкой к 100 %, поэтому полное превращение твердого образца в жидкость происходит в некотором температурном интервале DТ_пл = Т_к - Т_н, где Т_к и Т_н - соответственно температуры начала и конца плавления. Эти температуры обычно и указывают при характеристике чистоты полученного вещества (в том числе довольно часто в справочниках; например, в “Справочнике химика”, т. II, для п-аминоацетанилида Т_пл 161 - 162° С, для ванилина 81 - 83° С и т. п.). Чем чище вещество, тем меньше DТ_пл. Практически чистое вещество имеет DТ_пл не более 0,5° С. Разность между началом и концом плавления в 1° С свидетельствует о хорошем качестве полученного продукта. Неправильно принимать за температуру плавления среднюю величину (Т_н + Т_к )/2.

Примесь любого другого вещества, способного полностью или частично смешиваться с исследуемым соединением, понижает его температуру плавления и, как правило, расширяет температурный интервал DТ_пл. Величина DТ_пл получается завышенной также из-за неправильного, слишком быстрого, нагревания образца.

Температура плавления – физическая константа химического соединения. Совпадение найденной и табличной величин Тпл служит одним из доказательств природы неизвестного вещества при его идентификации (распознавании). Прибор для определения температуры плавления изображен на рис. 3. Вещество помещают в стеклянный капилляр (7), который с помощью резинового колечка (6) прикрепляется к термометру (3) так, чтобы столбик вещества в капилляре был прижат к шарику термометра и за его состоянием можно было наблюдать через прозрачные стенки сосудов (1 и 2) и слой концентрированной серной кислоты, находящейся в сосуде (1). Капилляр представляет собой тонкостенную трубочку длиной 40 – 50 мм и диаметром 0,8 – 1 мм. С одного конца (более узкого) капилляр запаивают, для чего достаточно поднести кончик капилляра к краю нижней части пламени горелки. Около 0,1 г исследуемого вещества помещают на часовое стекло или на вогнутую поверхность донышка перевернутого стеклянного стакана и как можно тоньше измельчают кристаллы с помощью стеклянной палочки. Если нет уверенности в

Рис. 3. Прибор для определения температуры плавления: 1 – внешний сосуд, заполненный концентрированной серной кислотой; 2 – внутренний пустой сосуд; 3 – термометр, укрепленный с помощью резиновой пробки с боковым вырезом 4; 5 – отвод внешнего сосуда; 6 – резиновое кольцо; 7 – капилляр с веществом; 8 – металлическая или асбестовая сетка

том, что вещество совершенно сухое, стаканчик перед помещением на него образца можно слабо нагреть и подержать измельченное вещество на теплой поверхности в течение некоторого времени (~ 10 минут). Прикасаются открытым концом капилляра к “горке” измельченного вещества и попавшие внутрь кристаллы проталкивают вниз капилляра, бросая его несколько раз запаянным концом вниз в трубку длиной 60 – 70 см и диаметром около 1 см, поставленную вертикально на металлическую, стеклянную или керамическую поверхность. Уплотнение образца в капилляре происходит при ударе о твердую поверхность. При этом из-за упругой деформации стекла капилляр несколько раз подскакивает внутри трубки. Высота столбика вещества в капилляре должна быть 4 – 5 мм (не больше). Чем лучше уплотнено вещество в капилляре, тем точнее может быть определена температура плавления.

Капилляр прикрепляют к термометру, как об этом было сказано выше, и начинают нагрев прибора.

Если температуру плавления измеряют с целью определения степени чистоты известного продукта, прибор нагревают сначала быстро до температуры приблизительно на 10° С ниже известной из справочника Т_пл чистого вещества. После этого горелку на короткое время отставляют, однако столбик термометра еще продолжает подниматься из-за тепловой инерции. Затем, тщательно дозируя подвод тепла расположением пламени горелки под сеткой, очень медленно поднимают температуру (1 – 2° С за 1 минуту). Чем медленнее поднимается столбик ртути в термометре, тем точнее может быть измерена температура плавления.

В процессе нагревания наблюдают за состоянием вещества в капилляре. Температуру, при которой столбик вещества в результате появления жидкой фазы начинает разрушаться, уменьшаясь в объеме (“съеживается”), принимают за начало плавления. В этот момент отмечают показание термометра (T_н). Еще более замедляют темп нагревания и дожидаются момента, когда вещество в капилляре полностью превратиться в жидкость. Это – конец плавления. Ему соответствует показание термометра T_к.

Если необходимо определить температуру плавления неизвестного вещества, то, прежде всего, следует убедиться, что оно вообще способно расплавляться при такой температуре, которая лежит в обычных пределах величин Т_пл органических соединений (<300° C). Это можно сделать, нагревая небольшое количество продукта на стеклянной палочке над пламенем горелки. Только убедившись в том, что неизвестное вещество плавится на нагретой стеклянной палочке, можно приступить к определению его температуры плавления в капилляре. В этом случае обычно проводят не менее двух испытаний. В первом опыте Т_пл определяют ориентировочно при относительно быстром темпе нагревания. Для второго опыта следует использовать вновь набитый капилляр и определить Т_пл более тщательно при медленном повышении температуры, как это описано выше.

В приборе, изображенном на рис. 3, заполненном концентрированной серной кислотой, запрещается определять температуры плавления веществ, плавящихся выше 200° С.

Следует также указать на другие меры предосторожности при работе с прибором для определения температуры плавления, заполненном концентрированной серной кислотой. Определение высоких Т_пл (180 – 200° С) следует проводить в защитных очках или наблюдать за плавлением через защитный экран. Отвод (5) сосуда (рис. 3) при нагреве должен быть обращен в ту сторону, где нет людей. Если капилляр упал на дно внутреннего сосуда, не пытайтесь доставать его с помощью стеклянной палочки и ни в коем случае не переворачивайте прибор! Нельзя принудительно охлаждать горячий прибор холодной водой; перед повторным определением температуры плавления прибору надо дать постепенно остыть на воздухе.

Контрольные вопросы

1. На каких различиях в свойствах вещества и примесей к нему основан метод очистки твердого вещества путем перекристаллизации?

2. Как обычно изменяется растворимость органических веществ с изменением температуры?

3. Какими свойствами должен обладать растворитель для того, чтобы быть пригодным для перекристаллизации вещества?

4. Как практически подбирают растворитель, пригодный для перекристаллизации вещества?

5. Как правильно приготовить горячий насыщенный раствор вещества: а) в воде; б) в легколетучем огнеопасном растворителе?

6. Как проводится удаление примесей продуктов осмоления, придающих веществам буро-желтую окраску?

7. Для чего и как проводится “горячее” фильтрование?

8. Какие меры предосторожности должны соблюдаться при внесении активированного угля в раствор?

9. Как и для чего определяют температуру плавления вещества?