熔点是固体物质重要的物理常数,是指物质在大气压力下固态与液态处于平衡时的温度。固体物质熔点的测定通常是将物质加热到一定温度,物质开始由固态转变为液态,测定此时的温度就是该物质的熔点。
根据熔点的定义,只要准确测定出物质在一定大气压下固-液平衡时的温度就是该物质的熔点。对于纯净的固体有机物,一般都有固定的熔点,即熔程或熔距(指初熔至全熔的温度间隔)一般不超过0.5℃~1℃;若物质不纯时,熔点就会下降[拉乌尔(Raoult)定律],且熔点范围就会扩大。可利用这一性质来判断物质的纯度和鉴别未知化合物。例如,在实验中测得一未知化合物熔点与某一已知化合物的熔点相同或者相近时,将二者等量混合后测定其熔点。若熔点没有变化,且熔点范围不超过1℃时,一般可以认为二者是同一物质;如果熔点发生变化,熔点范围扩大,则可判定它们不是同一物质或不纯。这种鉴定方法叫做混合熔点法。熔点的测定可用来鉴别有机化合物或推断它的纯度,对有机化合物的研究有很大的实用价值。
熔点测定方法一般分为毛细管测定法和显微熔点仪测定法。毛细管熔点测定法最简便,应用较广泛;显微熔点仪测定法较为准确,适用于高熔点物质的测定。
(1)毛细管熔点测定法——Thiele(提勒)管法:在有机化学实验中,毛细管熔点测定法是一个很好的方法,但并不是最精确的方法,因为测得的数值常常略高于真实熔点。在实际操作中,由此方法测得的不是一个温度点,而是熔化范围值(称为熔程或熔距)。影响测定结果的因素有:加热速度、毛细管管壁厚薄、直径大小、样品颗粒粗细及样品装填是否紧密,最重要的是温度计的准确程度。尽管如此,但它的精度已可满足一般要求。其最大的优点是样品用量少,操作方便,装置简单。
①毛细管的制备:毛细管的外径一般为1~2mm,长约70~75mm(也可用市售毛细管)。将其一端在酒精灯火焰上进行封闭,封闭后检查其密闭性。
②样品的装填:把0.1~0.2g已干燥并研成粉末的样品放在表面皿上聚成一堆,将毛细管(熔点管)开口一端垂直插入试样堆,使样品进入管内,然后将毛细管开口向上放入长约40~50cm垂直于桌面的玻璃管中,使其自然下落,如此重复几次把样品装填均匀、紧密,装填好的样品高度为2~3mm。一个试样最好同时装三根毛细管,平行测定三次。
③导热液:导热液的选择应以所测样品的熔点为准,导热液的沸点应高于所测样品的熔点。常用的导热液有:水(测定熔点在100℃以下的化合物)、液体石蜡油(可用于测定熔点在200℃以下,最好在170℃以下的化合物)、浓硫酸(测定熔点在200℃~300℃之间的化合物)、有机硅油(可用于测定熔点在300℃以上的化合物,不同标号的有机硅油沸点不同)等。
④仪器装置:提勒管法测定熔点最常用的仪器是提勒管(又称b形管),有时也用双浴式测定熔点,见图2-1(b)。将其固定在铁架台上,倒入导热液,使液面在提勒管的叉管处(略低于叉管口上沿),温度计插入开槽塞,毛细管用橡皮圈套在温度计上(注意橡皮圈不能浸在导热液中),毛细管中试样与温度计水银球中部紧贴,按图2-1(a)安装,使水银球与提勒管叉管上、下端中部平齐。
图2-1 测熔点的装置
⑤熔点测定:按图加热提勒管下端,记录下熔点管中样品开始塌陷或有小液滴(亮点)出现时的温度,为样品初熔温度T 初熔 ,继续加热至所有固体样品消失成为透明液体时,此温度为样品全熔温度T 全熔 。样品的熔点应记录为:熔程T 初熔 ~T 全熔 。每份样品至少平行测定二次,求其平均值(分别计算初熔和全熔的平均值)。
(2)熔点仪使用方法:①显微熔点测定仪:图2-2为X—型显微熔点仪。其优点为:a.样品量少(微量样品);b.测定范围广(可测高熔点的样品);c.可细致观察样品在加热过程中的变化情况;d.可调升温,快而准确。缺点为:升温慢,该仪器一般实验室不配备,不熟练人员操作测定误差较大。
显微熔点测定仪有两种:反射式和透射式。反射式光源在侧面,如果显微镜上没有光源的话,可以在边上放一盏台灯,使用时打开台灯直接照射热台,目前的显微熔点测定仪多是这种结构。透射式光源在热台的下面,热台上有个孔,光线从孔中透上来,这种结构因为热台中心有孔,热电偶不能测量热台中心的温度,因此有时温度测得不准。透射式的视野较好,而反射式的有时视野较暗,但温度测定准确,制造也较简单。
图2-2 X—型显微熔点仪示意图
测定操作:测定时取很少量的样品,用镊子尖挑一点即可,放在载玻片上,盖上盖玻片,轻轻研磨,让样品形成很薄的一层。在显微镜下观察,样品最好为分散得很小的颗粒,能看到颗粒形状即可,颗粒太小不利于观察,颗粒太大测量不准,更不能形成一片。样品如果堆积在一起,导热会不均匀,一方面熔点测不准,另一方面会使熔程变长。准备好样品后盖上热台上配的玻璃片(隔热玻璃罩),这主要是防止挥发样品污染物镜,调整焦距后就可以加热了。加热时,开始升温速度可快一些,当达到预计熔点温度以下10℃~20℃时将升温速度调到每分钟1℃~3℃;开始将电压表调到50V,升温速度较快,接近熔点时调到25V左右即可。当颗粒形状变圆或出现明显液滴时记录初熔点,视野内完全变成液体时记录全熔点。
注意:通常载玻片比较厚,导热比较慢,可用两个盖玻片夹住样品,而不用载玻片。对于不挥发的样品可以只用一片盖玻片托住样品,而不在样品上加盖。升华样品一定要加盖,否则还没熔融,样品就不见了。有些样品在低于熔点的温度会发生晶型的转变,这就需要判断是达到了初熔点,还是晶型变化。每次测定条件要相同,因为样品加不加盖,测定结果是不同的,有时误差还相当大。新买的熔点测定仪需要用标准物质校准温度。
②数字熔点仪:如图2-3所示,该熔点仪采用光电检测,数字温度显示等技术,具有初熔、终熔自动显示,可与记录仪配合使用,具有熔化曲线自动绘制等功能。
图2-3 数字熔点仪
用以上方法测定熔点时,温度计上的熔点读数与真实读数之间常有一定偏差。这可能是由于温度计的误差所引起的,因此,在使用温度计时,先要校正温度计,若温度计未经校正,在记录熔点温度时须注明“温度计未校正”。通常采用纯有机化合物的熔点作为校正标准,校正时只要选择数种已知熔点的纯化合物作为标准,测定它们的熔点,以观察到的熔点做横坐标,以观察到的熔点与已知熔点的差值做纵坐标,画成曲线。在任一温度时的误差即可直接从坐标图上读出。用于校正温度计的标准样品的熔点如下表2-1,校正时可以选用。100℃以下,100℃~200℃和200℃以上都需要分别校正,并且根据测定范围主要校正某一个范围,因为不可能这几个温度范围都能校正到同一精度。一般选用的几种标准样品的熔点应与待测样品的熔点相近,否则仍不能起到校正作用。
表2-1 标准样品的熔点
冰点的测定最好用蒸馏水。方法为:在一个150mm×25mm的试管中放置蒸馏水20mL,将试管浸在冰盐浴中冷到蒸馏水部分结冰,用玻璃棒搅动使冰-水混合,将试管自冰盐浴中移出,然后将温度计插入冰-水中,轻轻摇动混合物,温度恒定后(2~3min)读数。