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未知の化合物を決定するための凝固点降下

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Freezing-Point Depression to Determine an Unknown Compound

1.6: Determining the Solubility Rules of Ionic Compounds

1.14: Using Differential Scanning Calorimetry to Measure Changes in Enthalpy

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08:53 min

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April 30, 2023

Overview

ソース: リン o ‘ Connell の研究室-ボストンカレッジ

固体の化合物を溶媒に溶解しているとき得られた溶液の凝固点は純粋な溶媒のそれより低い。凝固点降下として知られているこの現象、温度の変化は溶質の分子量に直接関連します。この実験は、その分子量を決定するため凝固点降下現象を使って未知化合物の id を検索する設計されています。化合物は、シクロヘキサン、この溶液の凝固点と純粋なシクロヘキサンのとに解散する、測定されます。これらの 2 つの温度の違いは、未知の物質の分子量の計算のためことができます。

Principles

ソリューションの特定のプロパティは、溶質と溶媒分子との間で行われる相互作用による純粋な溶媒のそれらと異なります。このような変更を示すプロパティは、colligative プロパティと呼ばれます、浸透圧で蒸気圧の低下、沸点上昇、凝固点降下、および変更が含まれます。これらのプロパティは、粒子のアイデンティティではなく、溶剤に溶解した粒子数にのみ依存。このインスタンスで、粒子はイオンまたは分子として定義されます。この実験は、凝固点降下の特性に焦点を当てています。

特定の溶質を溶媒に溶解すると、次の式が true 保持します。

ΔT =_{T ° – T_f}= K_fm

_{用語 T °}と T_fそれぞれ純粋な溶媒および解決の凝固点温度を参照してください。用語”m”を示します、重量モル濃度溶剤の 1,000 g あたりの溶質のモル数として定義されているソリューションの。この量は、温度に依存ではないため、モル濃度ではなく使用されます。凍結ポイント不況確固、溶媒にだけ依存して、定数、K_fを呼ばれます。温度の変化はソリューション – 以上の粒子の存在、温度変化が大きく、溶質粒子の数に依存しています。このため、上記の式は時々ように記述します。

_{T ° – T_f}= K_f私m

どこ私溶質粒子溶解する数式の単位あたりの生産数を =。電解質を含む溶液、各イオンは粒子と見なされます。

この実験は、シクロヘキサン、溶媒として室温で液体である有機化合物を使用しています。未知の化合物は非イオン性有機分子;したがって、私は 1 と同じです。この未知の化合物の分子量は、シクロヘキサンの化合物の溶液の凝固点を観察し、純粋なシクロヘキサンの凝固点と比較することによって決定できます。

複合シクロヘキサン、約 6 ° c. の融点 (または凝固点)それが氷浴中で、氷点を常温から冷えるので、純粋なシクロヘキサンの温度のシリーズが得られます。これらの温度は、時間の関数としてプロットされます。同様に、シクロヘキサンに溶解した未知化合物の溶液温度が得られますそれが凍結ポイント、冷える、プロットもあります。プロットはプロット図 1のようになります。_{T °}および T_f値は外挿可能のようです。図 1 bで温度一定に保たれません完全ソリューションがフリーズするようです。ソリューションの凝固点は、それは最初凍り始めるし、温度-時間曲線の傾きの変化によってグラフィカルに示されます、ポイントです。

ソリューションの m 重量モル濃度は溶質のモル質量の面で表現できます。

凝固点降下の式にこの式を代入 (どこ私= 1) を取得します。

モル質量を解決する再配置を取得します。

(Amu) の物質の分子量はそのモル質量と同じ数値値です。

未知の物質は、次の化合物の 1 つです。

ビフェニル (C₁₂H₁₀)
2-Bromochlorobenzene (C₆H₄BrCl)
ナフタレン (C₁₀H₈)
アントラセン (C₁₄H₁₀)
1, 4-Dibromobenzene (C₆H₄Br₂)

図 1。図 1a純粋な溶媒の T_f° の決定のための時間の関数としての温度のプロットのです。図 1 bは、ソリューションの T_fの決定のための時間の関数としての温度のプロットです。

Procedure

コンピューターにインターフェース温度プローブを使用して、この実験の温度測定値を取得します。温度プローブが ± 0.1 ° c. の不確実性

1. ソフトウェアのパラメーターを設定

実験の長さを 800 に設定する s。
サンプリングレートを 1 秒あたり 1 つのサンプルに設定します。
40 の ° C および 0 の ° C に下限値に温度範囲の上限値を設定します。

2. シクロヘキサンの凝固点の測定

清潔で乾いた試験管にディスペンシングボトルからシクロヘキサンの 12.0 mL を調剤します。
注意: シクロヘキサンは可燃性溶剤です。
乾燥していることを確認する糸くずワイプで温度プローブを拭いてください。
温度プローブとワイヤの櫂棒で試験管にストッパーを挿入します。
温度プローブの先端の液体および側面または試験管の底に触れていない中心部にあることを確認します。
水の 3 分の 1 について 600 mL ビーカーを記入し、ビーカーが 4 分の 3 になるまで氷を追加検討します。
データの収集を開始します。コンピューターは、1 秒ごとの読み取り温度を取得します。
氷水浴に試験管を移動し、試験管内の液体のレベルは、お風呂の水のレベルの下にそれを保持します。
すぐに継続的に、一定の速度でワイヤー櫂棒で液体を攪拌を開始します。
一度凍結が始まると、液体として長いと固体が混在する場合、全体の質量が固化するまで温度が一定します。プロットは一定した温度で横ばいまで温度の記録を続行するコンピューターを許可します。
シクロヘキサン、かちかちに凍った、一度温度が再び減少開始に注意してください。
データポイントの十分な数を収集すると、データの収集を停止します。
氷水浴から試験管を取り出し、それを室温まで温。
データを保存します。
Yを調整-プロットのページが埋められるので、軸を制限します。グラフのタイトルし、それを印刷します。

3. 未知化合物の溶液を準備します。

正確に一枚の紙の重さに固体未知材料の 0.14 g の重量を量る。
テストチューブに含まれるシクロヘキサンが溶けていることを確認します。
試験管からストッパーを外し、慎重に不明な固体をテストチューブストッパーの両側に任意の化合物付着の損失を回避する、シクロヘキサンを追加します。
ストッパーを交換し、再それ上のまま結晶を考慮して紙の重量を量る。
完全に固体を溶解するためにソリューションをかき混ぜます。結晶が残っていないことが重要です。
新しい氷水風呂を作る。

4. 未知化合物の凝固点の測定

データの 2 番目のセットを収集するためにコンピューターを準備します。
データの収集を開始します。
氷水浴にソリューションが含まれてテストチューブを移動します。
すぐに継続的に、一定の割合で液を攪拌を開始します。
ソリューションのフリーズは、勾配に変化をはっきり見るために 300-500 秒のデータを収集します。
データの収集を停止します。
データを保存、y 軸の上限を調整、タイトル、グラフ、印刷します。
流しシクロヘキサンまたは不明な化合物をスローしません。「実験廃棄物「瓶の中に液体の混合物を注ぐ。廃瓶に洗口液を注いで、すべての結晶の最後の痕跡を削除するアセトンでテストチューブと温度プローブをすすいでください。

凝固点降下は、溶液の凝固点は純溶媒のそれより低い場合に観察される現象です。

この現象は溶質と溶媒分子間の相互作用に起因します。氷点下の気温の違いは、溶媒に溶解した溶質粒子の数に直接比例です。

非揮発性の溶質のモル質量は、溶媒と溶液中の溶質の質量がわかっている場合の凍結温度の差から計算できます。

凝固点降下と溶質、不明な溶質と誘導と凍結温度の変化を観察することのいくつかの実世界のアプリケーションのモル質量を決定するため手順のモル質量との関係を紹介します。

凝固点降下は溶質溶媒粒子と自分の id ではなくの比には影響のみを意味、colligative プロパティです。

純粋な物質の凝固点、融解・凝固の速度が等しいです。

その溶媒の凝固点に溶液を冷却すると、溶媒分子は固体を形成し始めます。それは溶媒および溶質粒子の混合の格子を形成するより少なく精力的に有利です。溶質粒子は、ソリューションのフェーズに残ります。のみ溶媒-溶媒相互作用は溶媒溶質の相互作用が純粋な溶媒のそれと比較して凍結の率を減らすので格子形成に貢献します。

温度が凍結の開始は、溶液の凝固点。ソリューションは、それがフリーズするが、これは温度の減少を反映してソリューションフェーズの溶質濃度が増加を続けた、冷却を続けています。

最終的には、溶液温度は格子を形成する溶質の粒子のために好ましくなる液相で低とは少し溶剤が残っているので。この点に達すると、温度は、混合物が凍ってまでほぼ一定のままです。

溶質のモル質量したがって、溶質の識別は、純溶媒の凝固点、ソリューションの凍結点とソリューションの重量モル濃度との関係から決定できます。重量モル濃度、または m、溶媒の 1 キログラムあたりの溶質のモル濃度の測定はあります。この関係によって異なります、溶媒と溶質粒子数の凍結ポイント不況定数溶解する数式の単位あたりの生産します。

重量モル濃度は溶質のモル質量を解決する方程式を並べ替えることができますので、モル質量の面で表現できます。温度差がわかれば、モル質量の解明氷点方程式にこれを差し込むことができます。凝固点降下現象を理解すると、今では、凝固点温度から不明な溶質のモル質量を決定する手順を行ってみましょう。溶質が溶解、数式の単位あたり 1 つの粒子を生成する非イオン性、非揮発性の有機分子と溶媒はシクロヘキサン。

この実験を開始するには、データ収集用コンピューターに温度プローブを接続します。サンプル容器に温度プローブ、攪拌を挿入します。

データコレクションの長さ、サンプリング率を設定します。凍結サンプルのデータ収集に十分な時間を許可します。

サンプル温度範囲の上限と下限を設定します。

清潔で乾いた試験管にシクロヘキサンの 12 mL を追加します。キムワイプで温度プローブを拭いてください。温度プローブの先端は液体の中心の側面や底に触れないをテストチューブストッパーアセンブリに挿入します。

ビーカー、氷の水のお風呂を準備します。温度データの収集を開始します。

テストチューブ内の液体のレベルが表面の下にあることを確認、氷の水のお風呂に試験管を配置します。継続的に一定の割合で液体をかき混ぜます。

凍結が開始されるは、プロットが一定した温度で横ばいまで継続するデータ収集を許可します。これは純粋なシクロヘキサンの凍結ポイントです。試験管を氷水風呂から外し、部屋の温度に温めることができます。

シクロヘキサンが溶けたら、紙の重さに固体の不明な材料を正確に計量します。試験管からストッパーを外し、固体を追加します。複合テストチューブに付着することは避けてください。

ストッパーに取って代わる、固体を完全に溶解するまで、ソリューションをかき混ぜます。固体結晶が残っていないことが重要です。

データコレクションのパラメーターを設定し、新鮮な氷水浴を準備します。コレクションをスタート、お風呂にテストチューブを置き、一定の割合で継続的にかき混ぜます。凍結が開始されると、凝固点は増加の溶質濃度による減少が続いています。この減少の傾きが明らかになるまでデータの収集を続行します。実験が終了したときは、常温にし、有機性廃棄物の手順に従ってそれを破棄する未知化合物の溶液を許可します。

この実験では、未知の物質は 5 つの可能な化合物の一つ知られている: ビフェニル、bromochlorobenzene、ナフタレン、アントラセン、dibromobenzene。未知の id は、これらの知られている物質のモル質量を比較することによって決定することができます。

不明な溶質溶解式単位の 1 つの粒子を生成します。違い、シクロヘキサン、溶質と溶媒使用量の凍結ポイント不況定数未知化合物のモル質量を計算するには、氷点下の気温がすべて必要です。

不明な溶質の 0.147 グラムは、この例で使用されました。シクロヘキサンの凍結ポイント不況定数は 20.2 ° C kg あたりの溶質のモル。密度とシクロヘキサンのボリュームは、溶媒の質量を計算するため使用されます。

プロットから純粋な溶媒の freezing point と、溶液の凝固点の値が決定されます。

この実験のように、いくつかの可能な化合物の一つである化合物がわかっている場合モル質量はこれらの化合物を単に比較できます。この実験のために提供される 5 つのオプションのナフタレンは近いです。

凝固点降下現象は研究室の内外の多くのアプリケーションです。

凝固点降下の効果のために氷の道路を治療するため塩化ナトリウムに塩化カルシウムお勧めします。塩化カルシウムは塩化ナトリウムよりも 1 つのより多くの粒子を解放する、それさらに水の凝固点を押下してこのように低い温度で氷を溶かします。

本研究では 2 つの異なる鉄硫黄混合溶解実験を行った。硫黄の高質量割合でサンプルであった実験の温度で完全に液体硫黄のサンプルまだ部分的に固体。これは、増加した不純物を含む、この場合硫黄、観測の融点が低いことよりも純粋な固体を示しています。ここでは、2 つのサンプルの融点の違いは、地球の核の形成への洞察力を貸します。

ゼウスの未知化合物のアイデンティティを決定する凝固点降下を用いた入門を見てきただけ。凝固点降下, 凝固点降下と溶質のモル質量の関係の現象を理解する必要があります今、なぜ現象は様々な産業に役に立つ。

見てくれてありがとう!

Results

調剤されたシクロヘキサンの質量を計算することができます。シクロヘキサンの密度、0.779 g/mL です。

プロットから_{T °}および T の_fの値を決定できます。

モルの固まりがこうして未知化合物の分子量を計算することも。シクロヘキサン、K_fの 20.2 ° C kg/モルの溶質を =。

モル質量 = 134 g/mol

分子量 = 134 amu

可能な化合物の分子量は次のとおりです。

ビフェニルの 154.21 amu
2 Bromochlorobenzene の 191.46 amu
ナフタレンの 128.17 amu
アントラセンの 178.23 amu
1, 4-Dibromobenzene の 235.90 amu

実験的に未知の化合物の分子量の決定値はナフタレンの文献値に近いです。

パーセントの誤差は計算することができます。

% エラー = 4.55%

Applications and Summary

おそらく凝固点降下現象の最も目に見えるアプリケーションは、冬季は、道路や歩道は氷になるし、滑りやすい表面を治療するために塩を使用の間に発生します。氷と塩をミックス、水の凝固点は、低い温度で氷が溶けるので落ち込んでいます。凝固点降下の程度は溶液中の粒子の数に依存しているので、この目的のため塩化カルシウム (CaCl₂) などの式単位の 3 種類のイオンを解放する塩が良く用いられます。アイスクリームメーカーも作るとき塩に発生する凝固点降下を利用し、氷を混在しています。砂糖、アイスクリームを作るために他の成分と組み合わせる場合は特に、クリームの凝固点は 0 ° C 以下です。このため、氷と岩塩は内側のコンテナーで囲まれた混合物を固定するのには十分な低温を達成するためにアイスクリームメーカーの外側のコンテナーに結合されます。

化学者は、固体の有機化合物の分析で凝固点降下現象を利用します。通常化学合成から固体製品の純度は融点 (凝固点として理論的に、同じ) 材料を測定することによって決定されます。化合物の不純物がある場合、観測の融点は予想以上に低いです。これは、ため、固体は、溶融を開始、不純物; 化合物の液体の形態に溶解している溶質として機能したがって、化合物の溶解、または、凍結ポイントは落ち込んでいます。

製薬業界は、治療薬の合成につながる反応に大量の有機溶剤を使用します。これらの溶剤は、環境に有害な液体廃棄物のかなりのボリュームを作成します。時折、合成における溶媒の必要性を除去するために凝固点降下現象を活用することが可能です。固体反応、反応に関与するが一緒に粉砕されて、2 つの化合物の溶解 (または凍結) ポイントが下がります。2 つの化合物の融点の非常に低い場合、反応が発生することができるように互いに相互作用する分子を可能にする地面、一緒にいるときの室温で液体に実際にペアがなります。これらの溶剤フリーの工程を減らすまたは使用および有害物質の生成を除去する化学プロシージャを参照する「緑」の化学などがあります。

Transcript

Freezing-point depression is the phenomenon that is observed when the freezing point of a solution is lower than that of the pure solvent.

This phenomenon results from interactions between the solute and solvent molecules. The difference in freezing temperatures is directly proportional to the number of solute particles dissolved in the solvent.

The molar mass of a non-volatile solute can be calculated from the difference in freezing temperatures if the masses of the solvent and the solute in the solution are known.

This video will introduce the relationship between freezing-point depression and the molar mass of the solute, a procedure for determining molar mass of an unknown solute, and some real world applications of inducing and observing changes in freezing temperature.

Freezing point depression is a colligative property, meaning it is only affected by the ratio of solute to solvent particles, and not their identity.

At the freezing point of a pure substance, the rates of melting and freezing are equal.

When a solution is cooled to the freezing point of its solvent, the solvent molecules begin to form a solid. It is less energetically favorable to form a mixed lattice of solvent and solute particles. The solute particles remain in the solution phase. Only solvent-solvent interactions contribute to lattice formation, so solvent-solute interactions reduce the rate of freezing compared to that of the pure solvent.

The temperature at which freezing begins is the freezing point of the solution. The solution continues cooling as it freezes, but this continued decrease in temperature reflects the increasing concentration of solute in the solution phase.

Eventually, the solution temperature is so low and so little solvent remains in the liquid phase that it becomes favorable for the solute particles to form a lattice. Once this point is reached, the temperature remains approximately constant until the mixture has frozen solid.

The molar mass of the solute, and therefore the identify of the solute, can be determined from the relationship between the freezing point of the pure solvent, the freezing point of the solution, and the molality of the solution. Molality, or m, is a measure of concentration in moles of the solute per kilogram of the solvent. This relationship depends on the the freezing point depression constant of the solvent and the number of solute particles produced per formula unit that dissolves.

Molality can be expressed in terms of molar mass, so the equation can be rearranged to solve for the molar mass of the solute. Plugging this into the freezing point equation allows the elucidation of the molar mass, once the temperature difference is known. Now that you understand the phenomenon of freezing point depression, let’s go through a procedure for determining the molar mass of an unknown solute from freezing point temperatures. The solute is a non-ionic, non-volatile organic molecule that produces one particle per formula unit dissolved, and the solvent is cyclohexane.

To begin this experiment, connect the temperature probe to the computer for data collection. Insert the temperature probe and a stirrer into the sample container.

Set the length of data collection and the rate of sampling. Allow sufficient time in the data collection for the sample to freeze.

Set upper and lower limits of the temperature range to sample.

Add 12 mL of cyclohexane to a clean, dry test tube. Wipe the temperature probe with a Kimwipe. Insert the stopper assembly into the test tube such that the tip of the temperature probe is centered in the liquid and does not touch the sides or bottom.

In a beaker, prepare an ice water bath. Then, start the temperature data collection.

Place the test tube into the ice water bath, ensuring that the level of liquid in the test tube is below the surface. Continuously stir the liquid at a constant rate.

Once freezing begins, allow data collection to continue until the plot has leveled off at a constant temperature. This is the freezing point of pure cyclohexane. Remove the test tube from the ice water bath and allow it to warm to room temperature.

Once the cyclohexane has melted, accurately weigh the solid unknown material on weighing paper. Remove the stopper from the test tube and add the solid. Avoid allowing compound to adhere to the test tube.

Replace the stopper and stir the solution until the solid is completely dissolved. It is important that no solid crystals remain.

Set the parameters for data collection and prepare a fresh ice water bath. Start collection, place the test tube into the bath, and stir continuously at a constant rate. Once freezing begins, the freezing point continues to decrease due to the increasing solute concentration. Continue collecting data until the slope of this decrease is evident. When the experiment has finished, allow the solution of the unknown compound to warm to room temperature and then dispose of it according to the procedures for organic waste.

In this experiment, the unknown substance is known to be one of five possible compounds: biphenyl, bromochlorobenzene, naphthalene, anthracene, and dibromobenzene. The identity of the unknown can be determined by comparing its molar mass to these known substances.

The unknown solute produces one particle per formula unit dissolved. To calculate the molar mass of the unknown compound, the freezing point depression constant of cyclohexane, the mass of solute and solvent used, and the difference in freezing temperatures are all needed.

0.147 g of the unknown solute were used in this example. The freezing point depression constant of cyclohexane is 20.2 °C-kg per mol of solute. The density and volume of cyclohexane are used to calculate the mass of the solvent.

The values of the freezing point of the pure solvent and the freezing point of the solution are determined from the plots.

If the compound is known to be one of a few possible compounds, as in this experiment, the molar mass can simply be compared to those compounds. Of the five options provided for this experiment, naphthalene is the closest match.

The phenomenon of freezing point depression has many applications both inside and outside the laboratory.

Calcium chloride is preferred to sodium chloride for treating icy roads because of the effects of freezing point depression. As calcium chloride releases one more particle than sodium chloride does, it depresses the freezing point of water further and thus melts ice at lower temperatures.

In this study, a melting experiment was conducted with two different iron-sulfur mixtures. The sample with the higher mass fraction of sulfur was completely liquid at the temperature of the experiment, whereas the sample with less sulfur was still partially solid. This demonstrates that with increased impurities, in this case sulfur, the observed melting point is lower than for the pure solid. Here, the melting point differences between the two samples lend insight into the formation of the Earth’s core.

You’ve just watched JoVE’s introduction to using freezing point depression to determine the identity of an unknown compound. You should now understand the phenomenon of freezing point depression, the relationship between freezing point depression and the molar mass of the solute, and why the phenomenon is useful to a variety of industries.

Thanks for watching!

Tags

Freezing-point Depression Unknown Compound Solute Solvent Freezing Temperature Molar Mass Non-volatile Solute Colligative Property Solute-solvent Interactions Lattice Formation