Melting & Boiling Point Determination PDF

‫ترجمة علي سالم داود‬ Lec. 2 Organic chemistry(practical) Melting & Boiling Point Determination The physical properties of a compound, such as melting point and boiling poi...

‫ترجمة علي سالم داود‬ Lec. 2 Organic chemistry(practical) Melting & Boiling Point Determination The physical properties of a compound, such as melting point and boiling point can provide useful information which can help in the identification of a sample or to establish its purity.‫ مثل نقطة االنصهار ونقطة‬،‫يمكن أن توفر الخصائص الفيزيائية للمركب‬ ‫ معلومات مفيدة يمكن أن تساعد في تحديد العينة أو إثبات نقائها‬،‫الغليان‬ The temperature at which Solid Melts And becomes a liquid is the melting point.‫درجة الحرارة التي عندها ينصهر الصلب ويتحول إلى سائل هي نقطة االنصهار‬ Since this requires that the intermolecular forces that hold the solid together have to be overcome, the temperature at which melting occurs will depend on the structure of the molecule involved - an example of the relationship between structure and properties. ‫وبما أن هذا يتطلب التغلب على القوى الجزيئية التي تربط المادة الصلبة‬ ‫ مثال على العالقة بين‬- ‫ فإن درجة الحرارة التي يحدث عندها االنصهار ستعتمد على بنية الجزيء المعني‬،‫م ًعا‬ ‫البنية والخصائص‬ Hence, different compounds tend to have different melting points.‫ فإن‬،‫وبالتالي‬ ‫المركبات المختلفة تميل إلى أن يكون لها نقاط انصهار مختلفة‬. ************************************************************************* A pure, nonionic, crystalline organic compound usually has sharp and characteristic melting point (usually 0.5- 1.0°C range). ‫عادة ما يكون للمركب العضوي البلوري النقي وغير األيوني نقطة انصهار حادة ومميزة (عادة تتراوح بين‬.)‫ درجة مئوية‬1.0‫ و‬0.5 A mixture of very small amounts of miscible impurities will produce a depression of the melting point and an increase in the melting point range. ‫سيؤدي خليط من كميات صغيرة ج ًدا من الشوائب القابلة لالمتزاج إلى انخفاض نقطة االنصهار وزيادة في‬ ‫نطاق نقطة االنصهار‬ Consequently, the melting point of a compound is a criterion for purity as well as for identification.‫ فإن نقطة انصهار المركب هي معيار للنقاء وكذلك لتحديد الهوية‬،‫وبالتالي‬. 1  ‫ترجمة علي سالم داود‬ Melting Point Determination:-‫تحديد نقطة االنصهار‬ The melting point of an organic solid can be determined by introducing a tiny amount into a small capillary tube, attaching this to the stem of a thermometer centred in a heating bath, heating the bath slowly, and observing the temperatures at which melting begins and is complete. ،‫ يمكن تحديد درجة انصهار مادة صلبة عضوية عن طريق إدخال كمية صغيرة في أنبوب شعري صغير‬ ‫ ومراقبة درجات‬،‫ ثم تسخين الحمام ببطء‬،‫وربطها بساق مقياس الحرارة المتمركز في حمام تسخين‬ ‫ مكتمل‬.‫الحرارة التي يبدأ عندها الذوبان وينتهي‬ Pure samples usually have sharp melting points, for example 149.5- 150C or 189-190 C; impure samples of the same compounds melt at lower temperatures and over a wider range, for example 145-148C or 186-189C. ‫ درجة مئوية‬150-149.5 ‫ على سبيل المثال‬،‫ عادةً ما تحتوي العينات النقية على نقاط انصهار حادة‬ ‫ درجة مئوية؛ تذوب العينات غير النقية من نفس المركبات عند درجات حرارة أقل‬190-189 ‫أو‬.‫ درجة مئوية‬189-186 ‫ درجة مئوية أو‬148-145 ‫ على سبيل المثال‬،‫وعلى نطاق أوسع‬ It is standard practice (in order to make the most effective use of time) to carry out a rapid melting point determination initially (by heating rapidly) to establish an approximate melting point and then carry out at least two further careful determinations (by heating more gently, i.e. temperature changing only about 2oC/min) until you obtain two consistent values. ‫ من الممارسات المعتادة (من أجل االستفادة القصوى من الوقت) إجراء تحديد سريع لنقطة االنصهار‬ ‫في البداية (بالتسخين السريع) لتحديد نقطة انصهار تقريبية ثم إجراء تحديدين دقيقين آخرين على‬ ‫دقيقة فقط) حتى تحصل‬/‫ درجة مئوية‬2 ‫ أي تتغير درجة الحرارة حوالي‬،‫األقل (بالتسخين أكثر بلطف‬.‫على قيمتين ثابتتين‬ The general method is to the heat the sample indirectly by placing the prepared sample (either packed in a glass capillary or on a glass cover slip) in or on a heated medium, these days this is most commonly a heated metal block such as a Mel- Temp apparatus. ‫ تتمثل الطريقة العامة في تسخين العينة بشكل غير مباشر عن طريق وضع العينة المحضرة (إما معبأة‬ ‫ وفي هذه األيام يكون هذا هو‬،‫في أنبوب شعري زجاجي أو على غطاء زجاجي) في أو على وسط ساخن‬.‫ جهاز درجة الحرارة‬- ‫األكثر شيو ًعا كتلة معدنية ساخنة مثل ميل‬ There are other designs such as the Fisher-Johns apparatus.‫وهناك تصميمات‬ ‫أخرى مثل جهاز فيشر جونز‬ 2  ‫ترجمة علي سالم داود‬ ‫‪ A more basic, but just as effective method is the Thiele tube method‬‬ ‫‪where the capillary is immersed in a heated oil bath.‬‬ ‫ هناك طريقة أكثر أساسية ولكنها فعالة بنفس القدر وهي طريقة أنبوب ‪ Thiele‬حيث يتم غمر‬ ‫الشعيرات الدموية في حمام زيت ساخن‪.‬‬ ‫‪3‬‬  ‫ترجمة علي سالم داود‬ Mel-Temp Melting Point Apparatus ‫جهاز نقطة االنصهار‬ The diagram shows the apparatus with the heat shield removed to reveal the inside structure. The apparatus uses capillary packed samples.‫يُظهر‬ ‫ يستخدم الجهاز عينات‬.‫الرسم التخطيطي الجهاز مع إزالة الدرع الحراري للكشف عن الهيكل الداخلي‬ ‫معبأة الشعرية‬ Insert the thermometer into the thermometer well and the capillary into the channels located on the front of the thermometer tube (there are slots for three capillaries). ‫أدخل مقياس الحرارة في بئر مقياس الحرارة والشعيرات الدموية في‬ ‫القنوات الموجودة في الجزء األمامي من أنبوب مقياس الحرارة (توجد فتحات لثالثة شعيرات دموية)ـ‬ Turn the green LED power switch on (the "1" position) and turn the black heating control knob in order to set the power level to obtain the desired heating rate. ‫") وأدر مقبض التحكم في التسخين األسود لضبط‬1" ‫ األخضر (الوضع‬LED ‫ قم بتشغيل مفتاح الطاقة‬ ‫مستوى الطاقة للحصول على معدل التسخين المطلوب‬ The sample can be observed through the lens on the front of the apparatus, the eye should be about 15 cm from the lens. ‫ ويجب أن تكون العين‬،‫ يمكن مالحظة العينة من خالل العدسة الموجودة في الجزء األمامي من الجهاز‬.‫ سم من العدسة‬15 ‫على بعد حوالي‬ 4  ‫ترجمة علي سالم داود‬ ‫‪5‬‬  ‫ترجمة علي سالم داود‬ Technique for Taking a Melting Point ‫تقنية أخذ نقطة االنصهار‬ Thin-walled capillary melting point tubes are used to hold melting point samples.‫تُستخدم أنابيب نقطة االنصهار الشعرية ذات الجدران‬ ‫الرقيقة لحفظ عينات نقطة االنصهار‬ This tube needs to be sealed at one end (sealed tubes). ‫يجب أن‬ ‫يكون هذا األنبوب مغلقًا من أحد طرفيه (أنابيب محكمة الغلق)ـ‬ 1. Pack the capillary tube by pressing the open end gently into a sample of the compound to be analyzed. Crystals will stick in the open end of the tube. ‫قم بتعبئة األنبوب الشعري بالضغط على‬ ‫ سوف تلتصق البلورات‬.‫الطرف المفتوح برفق في عينة من المركب المراد تحليله‬ ‫في النهاية المفتوحة لألنبوب‬ 2. The solid should fill the tube to a depth of 2-3 mm. Tap the bottom of the capillary on a hard surface so that the crystals pack down into the bottom of the tube.‫يجب أن تمأل المادة الصلبة‬ ‫ اضغط على الجزء السفلي من الشعيرات الدموية على‬.‫ مم‬٣_٢ ‫األنبوب حتى عمق‬ ‫سطح صلب حتى تتجمع البلورات في قاع األنبوب‬ 6  ‫ترجمة علي سالم داود‬ 4. When the crystals are packed into the bottom of the tube, place the tube into the slot behind the eyepiece on the Mel-Temp. ،‫عندما يتم تعبئة البلورات في الجزء السفلي من األنبوب‬ ‫ضع األنبوب في الفتحة الموجودة خلف العدسة في جهاز نقطة االنصهار‬ Make sure the unit is plugged in and set to zero, then turn it on. ‫ ثم قم بتشغيلها‬،‫تأكد من توصيل الوحدة وضبطها على الصفر‬ The rate of temperature increase in the vicinity of the melting point must be small, about 2 degrees C per min. This insures that the temperature of the hot plate, thermometer, and sample will be in thermal equilibrium. Increase the temperature rapidly at first and then slowly as the melting point is approached.‫ درجة مئوية في الدقيقة‬2 ‫ حوالي‬،ً‫يجب أن يكون معدل ارتفاع درجة الحرارة في محيط نقطة االنصهار صغيرا‬ ‫ قم‬.‫وهذا يضمن أن درجة حرارة اللوحة الساخنة ومقياس الحرارة والعينة ستكون في حالة توازن حراري‬ ‫بزيادة درجة الحرارة بسرعة في البداية ثم ببطء مع اقتراب نقطة االنصهار‬ Don’t forget ‫ال تنسى‬ I. That a slow heating rate at the melting point is needed in order to get an accurate measurement. ‫أن هناك حاجة إلى معدل تسخين بطيء عند نقطة االنصهار للحصول على‬ ‫قياس دقيق‬ II. Record the temperature on the thermometer when the sample starts to melt and record the temperature again when all of the sample has melted (this gives you the melting point range). ‫سجل درجة الحرارة على مقياس الحرارة عندما تبدأ العينة في‬ ‫)الذوبان ثم سجل درجة الحرارة مرة أخرى عندما تذوب العينة بأكملها (وهذا يمنحك نطاق نقطة االنصهار‬ III.Once the sample has melted, turn the power to OFF and remove the capillary and dispose of it in the special container for this purpose. ‫بمجرد ذوبان‬ ‫ قم بإيقاف تشغيل الطاقة وإزالة الشعيرات الدموية والتخلص منها في الحاوية الخاصة لهذا الغرض‬،‫العينة‬ IV. The block will require a little time to cool - the cooling process can be facilitated by connecting a hose to the in- house compressed air and blowing the air across the block.‫ يمكن تسهيل عملية التبريد عن‬- ‫سوف تتطلب الكتلة بعض الوقت لتبرد‬ ‫طريق توصيل خرطوم بالهواء المضغوط الداخلي ونفخ الهواء عبر الكتلة‬ 7  ‫ترجمة علي سالم داود‬ Thiele tube method ‫طريقة أنبوب ثييل‬ The Thiele tube is a glass tube designed to contain heating oil and a thermometer to which a capillary tube containing the sample is attached. The shape of the Thiele tube allows for formation of convection currents in the oil when it is heated. ‫أنبوب ثييل عبارة عن أنبوب زجاجي مصمم ليحتوي على زيت‬ ‫ يسمح شكل أنبوب ثييل بتكوين‬.‫التدفئة ومقياس حرارة متصل به أنبوب شعري يحتوي على العينة‬ ‫تيارات الحمل الحراري في الزيت عند تسخينه‬ Thesecurrentsmaintainafairlyuniformtemperaturedistribution throughouttheoil in the tube. The side arm of the tube is designed to generate these convection currents and thus transfer the heat from the flame evenly and rapidly throughout the heating oil. The sample, packed in a capillary tube is attached to the thermometer, and held by means of a rubber band or a small slice of rubber tubing. It is important that this rubber band be above the level of the oil (allowing for expansion of the oil on heating). Otherwise, the oil softens the rubber and allows the capillary tubing to fall into the oil. ‫تحافظ هذه التيارات على توزيع منتظم لدرجة الحرارة في جميع‬ ‫ تم تصميم الذراع الجانبي لألنبوب لتوليد تيارات الحمل الحراري‬.‫أنحاء الزيت الموجود في األنبوب‬ ‫ المعبأة في‬،‫ يتم توصيل العينة‬.‫وبالتالي نقل الحرارة من اللهب بالتساوي وبسرعة عبر زيت التسخين‬ ‫ ويتم االحتفاظ بها بواسطة شريط مطاطي أو شريحة صغيرة من‬،‫ بمقياس الحرارة‬،‫أنبوب شعري‬ ‫ ومن المهم أن يكون هذا الشريط المطاطي أعلى من مستوى الزيت (مما يسمح‬.‫األنابيب المطاطية‬ ‫ وإال فإن الزيت يلين المطاط ويسمح لألنابيب الشعرية بالسقوط في الزيت‬.)‫بتمدد الزيت عند التسخين‬ 8  ‫ترجمة علي سالم داود‬ The Thiele tube is usually heated using a microburner with a small flame but a Bunsen burner can also be used. When heating, the rate of temperature increase should be carefully controlled. Usually one holds the burner by its base and, using a small, gentle flame, moves the burner slowly back and forth along the bottom of the side arm of the Thiele tube. If the heating rate is too fast, the burner is removed for a few seconds before resuming the heating process. ‫عادةً ما يتم تسخين أنبوب ثييل باستخدام موقد‬ ‫ يجب التحكم بعناية في‬،‫ عند التسخين‬.‫ضا استخدام موقد بنسن‬ ً ‫ ولكن يمكن أي‬،‫صغير ذو لهب صغير‬ ،‫ ويستخدم لهبًا صغي ًرا ولطيفًا‬،‫ عادةً ما يمسك الشخص الموقد من قاعدته‬.‫معدل زيادة درجة الحرارة‬ ‫ إذا كان معدل‬.‫ويحرك الموقد ببطء ذهابًا وإيابًا على طول الجزء السفلي من الذراع الجانبي ألنبوب ثثيل‬ ‫ تتم إزالة الموقد لبضع ثوان قبل استئناف عملية التسخين‬،‫التسخين سري ًعا ج ًدا‬ The rate of heating should be slow near the melting point (about 1-2C per minute) to ensure that the rate of temperature increase is not faster than the ability of the heat to be transferred to the sample being observed. At the melting point it is necessary that the thermometer bulb and the sample in the capillary tube be at thermal equilibrium.‫يجب أن يكون معدل‬ ‫ درجة مئوية في الدقيقة) للتأكد من أن معدل‬٢_١ ‫التسخين بطيًئا بالقرب من نقطة االنصهار (حوالي‬ ‫ عند نقطة‬.‫زيادة درجة الحرارة ليس أسرع من قدرة الحرارة على االنتقال إلى العينة التي يتم مالحظتها‬ ‫االنصهار من الضروري أن تكون لمبة مقياس الحرارة والعينة الموجودة في األنبوب الشعري في حالة‬ ‫توازن حراري‬. How do you use the Thiele melting point tube? ‫كيف تستخدم أنبوب نقطة‬ ‫االنصهار ثييل‬ 1. Fill a small tube about half-full with sample and insert a capillary tube, closed end up. Attach the tube to a thermometer with a small rubber band. ‫امأل أنبوبًا صغي ًرا إلى نصفه تقريبًا بالعينة وأدخل أنبوبًا شعريًا مغلقًا‬ ‫ قم بتوصيل األنبوب بمقياس الحرارة باستخدام شريط‬.‫إلى أعلى‬ ‫مطاطي صغير‬ 2. Insert the sample into a Thiele tube, so that the sample is near the middle of the oil. ‫أدخل العينة في‬ ‫ بحيث تكون العينة قريبة من منتصف الزيت‬،‫أنبوب ثيل‬ 3. Heat the arm of the Thiele tube with a burner, gently and continuously.‫قم بتسخين ذراع أنبوب ثييل‬ ‫ بلطف وبشكل مستمر‬،‫باستخدام الموقد‬. 9  ‫ترجمة علي سالم داود‬ ‫‪10‬‬  ‫ترجمة علي سالم داود‬ Definition of b.p. ‫تعريف نقطة الغليان‬ The boiling point of a liquid is the temperature at which its vapor pressure is equal to the pressure of the gas above it‫نقطة غليان السائل هي درجة الحرارة التي يكون عندها‬ ‫ضغط بخاره مساويا ً لضغط الغاز الموجود فوقه‬ In terms of intermolecular interactions the b.p. represents the energy required to overcome the various intermolecular attractions binding the molecules as a liquid (e.g. dipole-dipole attraction and hydrogen bonding) and therefore undergo a phase change into the gaseous phase. Therefore the boiling point of a liquid is also an indicator of the strength of the attractive forces between the liquid's molecules. ‫ يمثل الطاقة الالزمة للتغلب على عوامل الجذب المختلفة بين‬.b.p ‫من حيث التفاعالت بين الجزيئات فإن‬ ‫ التجاذب ثنائي القطب والترابط الهيدروجيني) وبالتالي‬،‫الجزيئات التي تربط الجزيئات كسائل (على سبيل المثال‬ ‫ضا مؤشر على قوة قوى التجاذب‬ ً ‫ ولذلك فإن نقطة غليان السائل هي أي‬.‫تخضع لتغير الطور إلى الطور الغازي‬ ‫بين جزيئات السائل‬ Importance of b.p. ‫اهمية نقطة الغليان‬ B.p. is a physical constant used for: ‫نقطة الغليان هو ثابت فيزيائي يستخدم من أجل‬ 1. Identification of unknown liquid compound ‫التعرف على مركب سائل غير معروف‬ 2. Purification‫التطهير‬ factors affecting b.p. ‫عوامل نقطة الغليان‬ Pressure ‫ضغط‬ Molecular weight ‫الوزن الجزيئي الغرامي‬ Structure of the molecule & intermolecular interactions: ‫هيكل الجزيء والتفاعالت‬ ‫بين الجزيئات‬ Branching ‫المتفرعة‬ Polarity‫قطبية‬ Van der Waals interactions‫تفاعالت فان دير فالس‬ H-bonding‫الترابط الهيدروجيني‬ Impurities‫الشوائب‬ 11  ‫ترجمة علي سالم داود‬ Procedure ‫طريقة العمل‬ 1. Place 0.5 ml of the unknown liquid in a small test tube or sodium fusion tube. 2. Immerse a capillary tube sealed at the other end in the liquid. 3. Attach the outer tube to a thermometer by means of a rubber band. 4. Put the thermometer in an oil bath..‫ مل من السائل المجهول في أنبوب اختبار صغير أو أنبوب دمج الصوديوم‬0.5 ‫ ضع‬.1.‫ اغمر أنبوبًا شعريًا مغلقًا من الطرف اآلخر في السائل‬.2.‫ قم بتوصيل األنبوب الخارجي بمقياس الحرارة عن طريق شريط مطاطي‬.3.‫ ضع ميزان الحرارة في حمام الزيت‬.4 5. Start heating with a burner until a rapid stream of bubbles starts coming out of the capillary tube. At this point remove the burner. The stream of bubbles becomes slower and the temperature drops until a point is reached when the bubbling stops, and the liquid starts to rise in the capillary tube. Record this temperature as the boiling point of the liquid. ‫ابدأ بالتسخين باستخدام الموقد حتى يبدأ تدفق‬ ‫ يصبح تدفق الفقاعات‬.‫ في هذه المرحلة قم بإزالة الموقد‬.‫سريع من الفقاعات بالخروج من األنبوب الشعري‬ ‫ ويبدأ السائل في االرتفاع في‬،‫أبطأ وتنخفض درجة الحرارة حتى يتم الوصول إلى نقطة يتوقف عندها الفقاعات‬ ‫ سجل درجة الحرارة هذه كنقطة غليان السائل‬.‫األنبوب الشعري‬. 12