Měření fyzikálních konstant

Fyzikální konstanty = identifikační konstanty charakterizující určitou látku.

1. teplota tání

    = teplota, při níž náhle přejde látka z krystalického stavu v kapalinu
    → použití ke kontrole čistoty látek, neboť znečištění teplotu tání zpravidla snižuje

Ve školních podmínkách se používá ke stanovení speciální zkumavka, tzv. Thieleho bodotávek.

Thieleho bodotávek

  • Klasický skleněný bodotávek pro měření bodu tání pevných látek.
  • Olej pro měření bodu tání
  • Do bodotávku lze použít – s přihlédnutím k měřenému bodu tání a s dodržením bezpečnostních a hygienických předpisů – prakticky jakýkoliv průhledný olej, nejvýhodnější a nejbezpečnější je však použití speciálního silikonového oleje, určeného do přístrojů pro měření bodu tání a bodu varu (bod vznícení 300 °C).

Provedení stanovení: Asi 5 cm dlouhá, na jednom konci zatavená kapilára se naplní zkoumanou látkou do výšky 1-2 mm. Do bodotávku se se nalije tekutina (nejčastěji olej). Kapilára se umístí do bodotávku společně s teploměrem tak, aby spodní konce zasahovaly do tekutiny. Při stanovení se nad kahanem zahřívá vybočená trubice bodotávku. Zahřívání by mělo probíhat pozvolna, aby teplota kolem očekávaného bodu tání stoupala o 1-2 ºC za minutu. Sledujeme interval teploty od začátku tání, objeví se meniskus kapaliny, po vymizení krystalů.

Kovový blok

Dovoluje rychlou identifikaci organických látek určením bodu tání. Dosažená přesnost umožňuje také stanovení dalších charakteristik sledovaných látek, např. eutektické teploty, bodu měknutí, teplotu ztráty krystalové vody nebo teplotu rozkladu. Vhodné pro kontroly kvality.

Metody stanovení teploty tání jsou popsány v Českém lékopise 2009

Např.:

Teplota tání – kapilární metoda (ČL 2009)

Teplota tání stanovená kapilární metodou je teplota, při které roztaje poslední částice sloupce léčiva v kapiláře.

Pokud je v článku předepsáno, použije se stejné zařízení i postup pro stanovení dalších faktorů, jako je tvorba menisku nebo rozmezí teploty tání, které charakterizují chování léčiva při tání.

Zařízení. Zařízení se skládá z:

  • vhodné skleněné nádoby obsahující kapalinovou lázeň (např. vodu, tekutý parafin nebo silikonový olej) vybavenou vhodným zahříváním;
  • vhodného míchadla zabezpečujícího stejnoměrnou teplotu lázně;
  • vhodného teploměru s dělením stupnice nepřevyšujícím interval 0,5 °C a značkou ponoru; rozsah teploměru je v rozmezí maximálně 100 °C;
  • kapilár z tvrdého skla prostého alkálií o vnitřním průměru od 0,9 mm do 1,1 mm a o tloušťce stěny od 0,10 mm do 0,15 mm, zatavených na jednom konci.

Postup stanovení: Pokud není předepsáno jinak, jemně upráškovaná zkoušená látka se suší ve vakuu nad silikagelem bezvodým R po dobu 24 h. Do kapiláry se vpraví dostatečné množství látky tak, aby vznikl sloupec o výšce 4 až 6 mm. Lázeň se zahřeje na teplotu asi o 10 °C nižší než předpokládaná teplota tání a pak se nastaví rychlost zahřívání asi na 1 °C/min. Je-li teplota lázně asi 5 °C pod předpokládanou teplotou tání, umístí se kapilára do zařízení. Ve výše popsaném zařízení je kapilára umístěna tak, že její uzavřený konec je u středu rtuťové baňky teploměru a značka ponoru teploměru je při hladině kapaliny lázně. Zaznamená se teplota, při které poslední částice substance přejde do kapalné fáze.

Teplota tání – stanovení v kovovém bloku (ČL 2009)

Zařízení. Zařízení se skládá z kovového bloku odolného vůči zkoušeným látkám s dobrou tepelnou vodivostí (např. mosaz) a s velmi hladkou leštěnou vrchní plochou. Blok se rovnoměrně zahřívá jemně regulovatelným plynovým kahanem nebo pomocí elektrického ohřevu s jemnou regulací. V bloku je válcovitá dutina dostatečně široká pro vložení teploměru, jehož rtuťový sloupec by měl být ve stejné poloze při kalibraci přístroje i stanovení teploty tání zkoušené látky. Válcovitá dutina je rovnoběžná s horním hladkým povrchem bloku ve vzdálenosti asi 3 mm. Přístroj se kalibruje za použití vhodných látek o známé teplotě tání.

Postup stanovení. Blok se zahřeje vhodnou rychlostí na teplotu asi 10 °C pod očekávanou teplotou tání, potom se nastaví rychlost zahřívání asi na 1 °C/min. V pravidelných intervalech se vkládá několik částeček upráškované zkoušené látky, pokud je třeba i vysušené za podmínek uvedených u kapilární metody, na blok v sousedství rtuťové nádržky teploměru. Po každém stanovení se povrch bloku očistí. Zaznamená se teplota t1, při které látka taje ihned při prvním kontaktu s povrchem bloku. Další zahřívání bloku se zastaví. Během ochlazování se vkládá opět v pravidelných intervalech několik částeček látky na blok. Povrch bloku se opět očistí po každém stanovení. Zaznamená se teplota t2, při níž zkoušená látka v kontaktu s blokem přestává okamžitě tát.

2. Stanovení destilačního rozmezí

    = rozmezí teploty, při kterém se kapalina nebo její část předestiluje; ke stanovení se použije destilační aparatura

Český lékopis 2009 upravuje stanovení destilačního rozmezí následovně:

Destilační rozmezí je teplotní interval vztažený na tlak 101,3 kPa (760 Torrů), ve kterém kapalina nebo její definovaná část destiluje za následujících podmínek.

Postup. Do baňky (A) se převede 50,0 ml zkoušené kapaliny a několik kousků pórovité hmoty. Destilát se jímá do 50ml válce děleného po 1 ml. Chlazení tekoucí vodou je nevyhnutelné u kapalin destilujících níže než při 150 °C. Baňka se zahřívá tak, aby se rychle dosáhlo varu. Zaznamená se teplota, při které spadne do válce první kapka destilátu. Zahřívání se nastaví tak, aby kapalina destilovala konstantní rychlostí 2 ml/min až 3 ml/min. Zaznamená se teplota, při které předestiloval celý objem kapaliny nebo její předepsaná část. Objem předestilované kapaliny se měří při 20 °C.

3. Stanovení hustoty 

    Hustota = poměr hmotnosti m k jejímu objemu V

Způsoby stanovení hustoty:

  1. Hustoměry – využívají vztlaku těles v kapalině
  2. Mohr – Westphalovými váhami
  3. Pyknometry – stanovení vážením přesně odměřeného objemu kapaliny

1. Hustoměry

Jde o rychlé, ale z uvedených metod nejméně přesné stanovení. Princip je založen na využití Archimedova zákona.

Hustoměry jsou kalibrovány pro různá rozmezí hustoty, čímž se zvýší přesnost měření. Často mají speciální určení, z kterého vyplývá také název, např.: lihoměry, cukroměry apod., u kterých stupnice udává koncentraci roztoku. Měření ponorným hustoměrem

Provedení měření: Zkoušená kapalina, vytemperovaná na příslušnou teplotu (uvedeno na hustoměru), se nalije do odměrného válce. Válec plníme jen do tří čtvrtin. Poté se do kapaliny opatrně ponoří hustoměr, aby nedošlo k jeho rychlému pádu na dno a poškození.
Hustoměr musí v kapalině plavat a nesmí se dotýkat stěn. Odečtení hustoty se provede na stupnici hustoměru v úrovni hladiny.
V případě, že neznáme přibližnou hustotu, použijeme k měření nejprve hustoměr s širokým rozsahem stupnice a dále provedeme měření hustoměrem s přesností na tři desetinná místa.

Měření automatickým hustoměrem Měření automatickým hustoměrem

2. Mohr – Westphalovy váhy 

Jde o nerovnoramenné váhy. Vlevo je kratší rameno s jednoduchou stupnicí, vpravo delší rameno dělené na kratší úseky s možností zavěšení závaží. Na konci tohoto ramene je háček na zavěšení měrného tělíska, které je zavěšeno na tenkém platinovém drátku v kapalině, jejíž hustotu měříme.

Vážky jsou konstruovány tak, že pověsíme-li největší závaží úplně vpravo, odpovídá nastavení hustotě destilované vody o teplotě 20 °C, a pokud by v odměrném válci byla, byly by vážky vyrovnány. Jestliže při tomto nastavení směřuje pravé rameno šikmo dolů, má kapalina menší hustotu než voda. Vážky vyrovnáváme tím, že závaží zavěsíme o jednu či více poloh vlevo a rovnovážnou polohu doladíme menšími závažími, kdy hmotnost menšího je vždy 1 desetina toho většího. Výsledná hustota je dána počtem jednotlivých závaží a jejich polohou na rameni. Měření Mohr-Westfalovými vážkami

Provedení měření: Čisté a suché měrné tělísko se zavěsí na konci pravého ramene. Delší rameno vah je dělené na deset dílů, na kratším je posuvné závaží, kterým se vyváží tíha měrného tělíska na vzduchu. Stupnice na levém rameni by měla ukazovat na nulu. Pokud stupnice na levém rameni neukazuje na nulu, vyrovná se šroubováním matic na konci pravého ramene.
Do přiloženého odměrného válce se nalije měřená kapalina (kousek pod horní okraj) a měrné těleso se do ní celé ponoří tak, aby se nedotýkalo stěn ani dna válce. Těleso je nadlehčováno tíhou vytlačené kapaliny (využití Archimedova zákona) a rovnováha se tak poruší. Pro obnovení rovnováhy musíme přidávat na delší rameno vah závaží. Z hmotnosti závaží a jejich polohy na stupnici vahadla určíme hustotu.

3. Pyknometry

  • nejpřesnější stanovení hustoty
  • pyknometry jsou odměrné baňky, kalibrované na různý objem
  • před vlastním stanovením musí být pyknometr dokonale čistý a suchý

Postup měření pyknometrem

Stanovení hustoty kapaliny v pyknometru o známém objemu

  • Zváží se prázdný suchý pyknometr (hmotnost m1).
  • Zváží se osušený pyknometr naplněný zkoumanou kapalinou (hmotnost m2).

V - objem pyknometru napsaný na nádobce
Vážení pyknometru se zásadně provádí se zátkou!

Stanovení hustoty kapaliny v pyknometru o neznámém objemu VIDEO - LAT

  • Zváží se prázdný suchý pyknometr (hmotnost m1).
  • Zváží se osušený pyknometr naplněný měřenou kapalinou (hmotnost m2).
  • Zváží se osušený pyknometr propláchnutý a naplněný srovnávací kapalinou o známé hustotě (hmotnost m3).

ρs - hustota srovnávací kapaliny

Provedení měření: Před vlastním stanovením je nezbytné pyknometr dokonale vyčistit (chromsírová směs – destilovaná voda – etanol – éter) a nechat vysušit.
Prázdný pyknometr se zváží (m1) a naplní se destilovanou vodou po okraj. Do hrdla pyknometru se vloží zátka, přebytečná voda vyteče kapilárou, která je v zátce.
Pyknometr se osuší a vloží do vodní lázně 20 °C teplé., nechá se 30 minut temperovat. Poté se osuší a zváží (m3).
Destilovaná voda se vyleje a pyknometr se propláchne etanolem a éterem a vysuší se. Pyknometr se naplní zkoumanou kapalinou, vytemperuje při 20 °C 30 minut. Po osušení pyknometr zvážíme (m2).

4. Stanovení viskozity

    = „vnitřní tření“ kapalin, které je charakterizováno odporem, který kladou dvě sousední vrstvy kapaliny vzájemnému pohybu

měření viskozity: provádí se při teplotě 20 ºC ± 1 ºC

  • měří se čas průtoku určitého objemu kapaliny kapilárou předepsané délky a průměru – průtokové (kapilární) viskozimetry; Ubbelohdeho viskozimetr
  • měří se čas pádu kuličky daných rozměrů a hustoty předepsanou vrstvou kapaliny - kuličkové viskozimetry; Hoepplerův viskozimetr
  • stanovuje se z velikosti točivého momentu, který je měřen v ustáleném režimu otáčení vhodné hřídele ve vzorku - rotační viskozimetr

Rotační viskozimetr se skládá z hladkého válečku, svisle ponořeného do zkoumané kapaliny, a z motorku, který válečkem otáčí. Otáčivý pohyb je z motorku na váleček přenášen spirálovou pružinou. Viskozita kapaliny vyvolává na válečku moment síly, jehož velikost se projevuje torzní deformací pružiny, odečitatelnou na stupnici viskozimetru.

Index lomu

Český lékopis 2009: Index lomu prostředí vztažený na vzduch se udává jako poměr sinu úhlu dopadu paprsku světla ve vzduchu k sinu úhlu lomu paprsku světla v daném prostředí.

Index lomu je závislý na charakteru látky, vlnové délce světla, tlaku vzduchu, teplotě, koncentraci (u roztoků).

Metoda založená na měření indexu lomu se nazývá refraktometrie.

Optická otáčivost

Optická otáčivost je schopnost chirálních látek otáčet rovinu polarizovaného světla.

Pravotočivé látky se označují (+) (otáčejí rovinu polarizovaného světla ve směru hodinových ručiček). Levotočivé látky se označují (–).

Konstantou charakteristickou pro opticky aktivní látky je specifická otáčivost.

 
Media