Рефрактометрия – исследование преломления света при прохождении луча через границу раздела прозрачных однородных сред и заключается в измерении показателя преломления.

Рефракция - это явление преломления луча света на границе раздела двух сред. Количественно рефракцию оценивают по углу или показателю преломления света.

При падении луча света на границу раздела двух прозрачных сред происходит частичное отражение света от поверхности раздела и частичное распространение света в другой среде.

Направление луча во второй среде изменяется в соответствии с законом преломления:

η _2(отн.) (1)

Величину n_2(отн.) называют относительным коэффициентом преломления второй среды по отношению к первой. Показатель преломления по отношению к вакууму называют абсолютным показателем преломления:

η _2(абс.) =

относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления:

η _(абс) · sinα ₁ = n_2(абс) · sinα ₂

Относительный показатель преломления по отношению к воздуху называют просто показателем преломления n:

η _абс. = η _{абс.(возд.)} · η, поэтому

при атмосферном давлении и комнатной температуре

η _абс. = 1, 00027· η.

При увеличении угла падения наступает момент, когда угол преломления окажется равным 90° - луч света будет скользить по поверхности раздела сред. Такой угол называется углом полного внутреннего отражения, или предельным, критическим углом.

Очевидно, что в этом случае преломления не произойдет, и поскольку sin 90° = 1, формула (1) переходит в

η _2(отн.) = sinα ₁ (2).

Уравнение (2) показывает, что по условию полного внутреннего отражения можно рассчитать показатель преломления. Это соотношение используют в практике рефрактометрии.

В рефрактометрах для измерения показателя преломления в качестве сред используют раствор вещества и стекло. Известен показатель преломления η _2. Луч света, проходя через границу раздела раствор-стекло, преломляется. Задав угол падения луча в растворе, равным 90⁰ (Sin α ₁ = 1), получим уравнение, позволяющее измерять показатель преломления раствора по значению предельного угла преломления в стекле α ₂.

η ₁₌ η ₂ ^* Sin α ₂.

Показатель преломления зависит от длины волны падающего света, температуры, природы растворителя, концентрации растворенных веществ и других факторов.

При прочих постоянных условиях показатель преломления связан прямой пропорциональной зависимостью с концентрацией растворенных веществ и его измерение широко используется в количественном анализе.

С увеличением температуры показатель преломления уменьшается, поэтому для определения показателя преломления при постоянной температуре рефрактометры снабжены устройствами для термостатирования.

1. Что такое рефракция?

2. Как измеряют показатель преломления света?

3. Чему равен относительный показатель преломления?

4. С помощью какого метода определяют содержание сахарозы?

5. В чем состоит принцип действия рефрактометра?

6. Как проверяется правильность показаний рефрактометра?

7. От каких факторов зависит показатель преломления?

Порядок работы с рефрактометром

1.1. Перед началом работы необходимо проверить установку О-пункта рефрактометра. Установка нуль-пункта и измерения на рефроктометре необходимо проводить при одной и той же температуре.

Проверка и установка нуль-пункта проводится по дистиллированной воде. При исследовании дистиллированной воды граница светотени должна находится на делении 1, 33299 шкалы η _д и 0% шкалы сухих веществ. Проверка и установка нуль-пункта по дистиллированной воде проводится следующим образом:

- снять пробку с окна верхней камеры, окно нижней камеры должно быть закрыто;

- открыть верхнюю камеру и промыть дистиллированной водой или спиртом поверхности измерительной и осветительной призм и насухо вытереть чистой льняной салфеткой;

- оплавленным концом палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру;

- смещая, осветитель, луч света направить в окно верхней камеры;

- перемещением рукоятки с окуляром (внутри прибора вместе с рукояткой перемещается механизм наведения) вдоль шкалы вверх и вниз в поле зрения границу светотени;

- разность границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки по глазу рукоятки дисперсионного компенсатора устранить окрашенность границы светотени;

- поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси, добиться максимально-контрастной границы светотени;

- границу светотени, перемещая рукоятку, подвести к центру перекрестия сетки (если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла через деление шкалы η _д = 1, 33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль-пункт установлен правильно.

Если этого нет, то установка нуль-пункта проводится следующим образом:

- центр перекрестия установить по шкале примерно на одной линии с делениями нуль-пункта;

- снять резиновую заглушку на корпусе прибора;

- ввести в отверстие корпуса ключ, прилагаемый к прибору и, установить его на квадрат винта, находящегося внутри прибора на механизме наведения;

- вращением ключа границу светотени подвести к центру перекрестия сетки к требуемому делению шкалы η _д и шкалы сухих веществ;

- установку нуль-пункта проверить два-три раза путем смещения рукояткой границы светотени и повторной подводкой ее перекрестию сетки.

1.2. Измерение показателя преломления прозрачных жидкостей и процента сухих веществ по сахарозе производится аналогично измерению дистиллированной воды при установке нуль-пункта (см. п. 1.1.):

- после совмещения границы светотени с перекрестием сетки произвести отсчет по шкале показателей преломления и процента сухих веществ по сахарозе. Измерение произвести три раза.

Среднее арифметическое трех остатков является конечным результатом измерений.

Измерение продуктов сахарного производства можно производить при температуре +10 -30⁰ С с учетом поправки на температуру по таблице (таблицу взять у преподавателя).

Например, если измерения производить, при температуре 17⁰С отсчет по шкале равен 37, 8% сухих веществ. По таблице находим поправку равную 0, 22. Показание рефрактометра будет равно: 37, 80-0, 22 = 7, 58% сухих веществ.

После проведения измерений необходимо открыть верхнюю камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно опустить верхнюю камеру прибора.

1.3. Измерение показателя преломления твердых тел.

Измерение показателя преломления твердых тел проводится следующим образом:

- открыть верхнюю камеру, поверхность измерительной призмы и полированную большую поверхность призмы контрольной промыть спиртом и дать просохнуть;

- на большую полированную поверхность образца нанести оплавленным концом палочки 2-3 капли иммерсионной жидкости – монобромнафталина и прикрыть поверхностью измерительной призмы так, чтобы малая полированная поверхность образца была обращена к осветителю. Образец слегка прижать, чтобы жидкость распространялась равномерно по слоям. О равномерности слоя можно судить по интерференционным полосам, которые видны через матовую боковую грань образца. Количество полос не должно быть более трех, направлены они должны быть, параллельно падающему свету. Если полосы наклонены к направлению распространения света, то это значит, жидкость распространилась в виде клина. В этом случае нужно переустановить образец;

- поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси добиться максимально контрастной границы светотени;

- границу светотени, перемещая рукояткой, подвести к центру перекрестия сетки и по границе светотени произвести отсчет по шкале показателей преломления.

Для вещества, показатель преломления которого не превышает 1, 65, в качестве иммерсионной жидкости применяется монобромнафталин (η _д=1, 66). Для веществ с более высоким показателем преломления применяется иммерсионная жидкость, у которой η _д=1, 710. Жидкость необходимо хранить в закрытом сосуде.

Иммерсионная жидкость ядовита, поэтому обращаться с ней надо очень осторожно.

При измерении показателя преломления стекла колебания температуры в пределах +3⁰С не учитываются.

Расчет концентраций вещества по показателям преломления раствора ведут следующими методами: по калибровочному графику, по таблицам, по рефрактометрическому фактору, методом добавок.

По калибровочному графику: калибровочный график строят по растворам вещества известной концентрации (концентрация-показатель преломления), в координатах измеряют показатель преломления анализируемого раствора, и на графике по показателю преломления определяют концентрацию.

По таблицам: для многих веществ составлены таблицы, в которых приведены показатели преломления растворов с известной концентрацией.

По рефрактометрическому фактору: если известен рефрактометрический фактор, для расчета концентраций используют формулу:

С = (η ₁- η ₀) /F,

где: η ₁-показатель преломления раствора;

η ₀-показатель преломления растворителя,

F –рефрактометрический фактор, показывающий увеличение показателя преломления при росте концентрации вещества на 1%.

Фактор определяют экспериментально или по таблицам показателей преломления.

Например, для NaCl фактор F равен разности между показателями преломления 4%-ного раствора η ₁=1, 3397 и 2%-ного раствора η ₂=1, 3364, деленной на разность концентраций, равную 2%: F=(1, 3396-1, 3364)/(4-2)=0, 00165

Основные положения

Поляриметрией называют метод, основанный на определении оптического вращения. Поляриметрию применяют для определения концентрации оптически активных веществ, их идентификации и обнаружения фальсификации продовольственных товаров.

Оптическое вращение – вращение плоскости поляризации света раствором оптически активного вещества. Оптическому вращению подвергается поляризованный свет. Поляризованными называют такие лучи света, колебания которых распространяются лишь в одной плоскости, в отличие от обычных свето­вых волн, представляющих собой электромагнитные колебания, происхо­дящие в различных плоскостях перпендикулярно направлению светового луча. Плоскость, в которой происходят колебания волн поляризованного света, называют плоскостью поляризации.

Растворы оптически активных веществ обладают способно­стью вращать плоскость поляризации при прохождении через них поляризо­ванного света. Угол поворота плоскости поляризации в угловых градусах называют углом вращения плоскости поляризации. Измерение угла вращения проводят на специальных приборах – поляриметрах.

Угол вращения зависит от природы вещества, его концентрации в растворе, длины пути про­хождения поляризованного света в оптически активной среде, длины волны и температуры. При измерении угла вращения одного и того же вещества в стандартной кювете при постоянной температуре и длине волны угол вращения зависит только от концентрации вещества.

Способность вещества вращать плоскость поляризации характеризуют удельным вращением – вращением плоскости поляризации в правую или левую сторону, происходящим при прохождении поляризованного света через слой раствора толщиной 1 дм, имеющего концентрацию 1 г/см³. Удельное вращение обозначают [α _Д²⁰], индекс Д указывает на используемую при измерениях длину волны света линии Д в спектре натриевой лампы, а индекс 20 обозначает температуру раствора, обычно равную 20⁰С. Удельное вращение является константой, используемой для идентификации веществ. Правое удельное вращение обозначают знаком «+», левое – знаком «-» (Таблица 8).

Таблица 8. Значения удельного вращения [α ]_Д²⁰ некоторых веществ в воде

Удельное вращение растворов определяют по формуле:

[α ]_Д²⁰ = α · 100/ с· ι,

где α – угол вращения, град.;

ι – толщина слоя жидкости, дм;

с – концентрация р-ра, %.

Расчет концентрации оптически активных веществ в растворе, если известно, его удельное вращение, производят по формуле:

С = а· 100/[а]_Д²⁰ · ι

Задание 1. Идентификация оптически активного вещества

Порядок работы на поляриметре

1.Установка нуль-пункта

Закрыть крышку кюветного отделения без установки в нем кюветы. Уровнять яркость сравнения вращением рукоятки клинового компенсатора. Если нулевое деление нониуса не совмещается с нулевым делением шкалы, обратится к преподавателю.

Повторить уравнение яркостей полей сравнения, при этом нулевое деление нониуса должно совместиться с нулевым делением шкалы порядка шести раз.

2.Установка кювет

При установке кювет следует:

- поместить кювету с раствором в кюветное отделение;

- установить кювету, вращая ее вокруг оси, в такое положение, чтобы линия раздела полей сравнения делила поля сравнения на две равные части.

3.Проведение измерения

Уравнять яркость полей сравнения вращением рукоятки клинового компенсатора.

Произвести отсчет показателей по шкале и нониусу.

Повторить уравнение яркостей полей сравнения и отсчет по шкале и нониусу не менее шести раз.

Ход работы

Идентификация вещества основана на определении удельного вращения плоскости поляризации плоско поляризованного света растворов одинаковой концентрации и сравнении их с удельным вращением анализируемого раствора.

Готовят стандартные растворы оптически активных веществ с концентрацией 0, 05 г/мл в мерной колбе вместимостью 100мл. Анализируемое вещество переводят в раствор с концентрацией 0, 05 г/мл. Устанавливают нулевую точку прибора. Измеряют угол вращения для каждого раствора, включая анализируемый. Рассчитывают значение удельного вращения плоскости поляризации для всех известных имеющихся в наличии оптически активных веществ, сравнивают с анализируемым образцом, тем самым устанавливают его природу.

8. Что такое плоско поляризованный свет?

9. Как измеряют угол вращенияплоскости поляризации?

10. Какие вещества называются оптически активными?

11. С помощью какого метода определяют содержание сахарозы?

12. В чем состоит принцип действия поляриметра?

13. Что такое удельное вращение?