Физико-химические методы анализа

Лабораторная работа №. Рефрактометрический метод анализа

Рефрактометрический метод основан на измерении показателя светопреломления жидкости или кристаллов.

Абсолютный показатель преломления N – это отношение скорости V₀ распространения света в вакууме к скорости V распространения в данной среде ; относительный показатель преломления n – это отношение скорости распространения света в воздухе V_возд к скорости распространения в данной среде сравнивая эти два выражения, получаем

.

Так как скорость распространения света в вакууме незначительно отличается от скорости распространения в воздухе, то практически относительные показатели преломления, т.е. отношение скоростей света в воздухе и исследуемом веществе, очень близкие к абсолютным показателям.

Рефракция – это преломление луча, т.е. изменение его направления при переходе из одной среды в другую.

A

α₁ β₂

М N

β₁ O α₂

A₁ B

M₁ N₁

Луч света АО, попадая из воздуха в какую-либо другую среду, изменяет свое первоначальное положение. Угол a₁, образованный падающим лучом и перпендикуляром, восстановленный к поверхности двух сред в точке падения луча, называется углом падения. Угол b1, образованный направлением преломленного луча и тем же перпендикуляром, называется углом преломления. Отношение , т.е. отношение синуса угла падения луча света к синусу угла его преломления называют показателем (коэффициентом) преломления (n).

При переходе луча из среды менее плотной (например, воздух) в более плотную среду (раствор) a₁> b₁. При переходе из более плотной среды в менее плотную луч ВС претерпит преломление, причем угол падения a₂ в этом случае всегда меньше угла преломления b₂. .

При увеличении угла падения можно добиться такого положения, когда преломленный луч, В₁С окажется под углом 90⁰ к перпендикуляру и будет скользить по поверхности двух сред, при этом sinb =sin90⁰=1 или или .

Угол падения, при котором луч скользит по поверхности раздела, называется углом полного внутреннего отражения.

При дальнейшем увеличении угла падения луч света уже не выходит из среды, а полностью отражается от поверхности раздела. Полное внутреннее отражение используют при устройстве отражательным призм оптических приборов – рефрактометров, где лучи падают на грань призмы под углом больше предельного.

Зная угол полного внутреннего отражения, можно определить показатель преломления. Измерение углов производят при помощи рефрактометров, в которых имеются призмы с известным показателем преломления. Призмы сложены гипотенузными гранями так, что между ними имеется зазор около 0,15 мм. Призмы соединены шарниром, при этом одна из них может откидываться. Между призмами помещается анализируемый раствор, после чего призмы прижимаются. Гипотенузная

грань одной призмы (измерительной) имеет отполированную поверхность, а другой (осветительной) – матовую. Матовая поверхность рассеивает свет, тем самым обеспечивая попадание в другую призму вместе с другими лучами скользящих лучей. Свет направляется в нижнюю призму и, пройдя ее входит в испытуемую жидкость. Из всех лучей, входящих в жидкость будет и луч предельный. Все лучи, имеющие a <90⁰ пройдут в жидкость. Затем в верхнюю призму, преломившись на границе раздела призма – жидкость; лучи с a >90⁰ претерпевают полное внутреннее отражение от поверхности жидкости, поэтому в окуляре прибора будет видна граница светлого и темного полей. Совмещая эту границу с визирной линией, определяют показатель преломления.

Показатель преломления зависит от природы преломляющей среды, длины волны преломляющего света, температуры, концентрации раствора (если измеряют показатель преломления раствора), от направления падающего света на кристалл (если измеряют показатель преломления кристалла). Обычно на практике показатель преломления определяют при длине волны падающего света l_D=589,3 нм, соответствующей положению линии D в спектре излучения натрия и при температуре 20 ±3⁰С. Измеренный в таких условиях показатель преломления обозначается символом . При этом числовое значение лежит в большинстве случаев в пределах 1,3-1,7.

Каждое чистое, оптически прозрачное (для излучения с данной длиной волны) вещество характеризуется определенным числовым значением , что и используется для идентификации используемого вещества.

Преломляющие свойства вещества, обусловленные строением электронных слоев его молекул называются молекулярной рефракцией и выражаются через показатель преломления следующим образом:

,

где R_M – молекулярная рефракция; e – диэлектрическая проницаемость (чувствительность к внешнему поляризующему колебательному полю), М – молярная масса вещества, г/моль; r - плотность раствора вещества, г/см³.

По электромагнитной теории Максвелла показатель преломления вещества (среды) связан с ее диэлектрической проницаемостью соотношением Е=n², и предыдущая формула примет вид:

(формула Лорентц – Лоренца).

Молярная рефракция R_M отражает структуру вещества и обладает свойством аддитивности, т.е. равна сумме атомных рефракций элементов, образующих молекулу, и кратных связей. В анализе, однако, удобнее использовать непосредственно показатели преломления.

Применение метода в количественном анализе основано на использовании зависимости между показателем преломления «n» анализируемого раствора и содержанием «х» определяемого вещества в этом растворе.

Величину х определяют либо методом градуировочного графика, либо расчетной интерполяцией с использованием специальных рефрактометрических таблиц.

При использовании метода градуировочного графика измеряют показатели преломления n нескольких эталонных растворов с точно известным содержанием х определяемого вещества и по полученным данным строят градуировочный график в координатах n-x. Затем строго в тех же условиях измеряют показатель преломления анализируемого раствора и по градуировочному графику находят содержание определяемого вещества в анализируемом растворе. Градуировочный график обычно не проходит через начало координат, а отсекает от оси ординат отрезок, равный показателю преломления растворителя.

В некоторых случаях определить содержание вещества в растворе по показателю преломления совершенно невозможно, т.к. даже при значительном изменении концентрации вещества показатель преломления изменяется очень мало, например для раствора метилового спирта.

Рефрактометрический метод нашел широкое применение при исследовании жиров (определение количественного содержания жира в масличном сырье, установление вида растительного масла, его свежести),

томатопродуктов, варенья, джема, содержания сухих веществ, содержания спирта в растворе (в сочетании с пикнометрическим).

Цель работы:освоить методы определения сухих веществ и коэффициента преломления различных веществ и продовольственных товаров методом рефрактометрии.

Необходимые химические реактивы и лабораторная посуда: дистиллированная вода, этиловый спирт (разных концентраций), стеклянные палочки, пробирки с притертыми крышками, градуированные пипетки 10 мл, груша резиновая, конические колбы 100 мл.

Приборы: универсальный лабораторный рефрактометр УРЛ-3, рефрактометр НРФ – 464.

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 окрашенных или мутных веществ - производится в отраженном свете. Для этого открывается окно нижней камеры, окно верхней камеры должно быть закрыто пробкой. В окно нижней камеры направляется луч света от осветителя.

Измерение показателя преломления окрашенных и мутных веществ производят также, как измерение прозрачных растворов (см.п.1.2.).

Работа 1. Определение состава смеси глицерин-вода методом градуировочного графика

В пробирках с притертыми пробками готовят стандартные растворы смеси глицерина и воды в соотношениях, указанных в таблице Растворы тщательно перемешивают. Измеряют показатели преломления чистых глицерина и воды, а также каждой смеси. Полученные данные заносят в таблицу 2.

Таблица 2

№ смеси глицерин-вода	Содержание глицерина, %	Показатель преломления
		З1	З2	З3	З4

Строят калибровочный график в координатах глицерин, % - показатель преломления. Измеряют показатель преломления анализируемого раствора и по графику находят состав смеси глицерин-вода.

Цель работы: освоить методы определения сухих веществ и коэффициента преломления различных веществ и продовольственных товаров методом рефрактометрии.

Необходимые химические реактивы и лабораторная посуда: дистиллированная вода, этиловый спирт (разных концентраций), стеклянные палочки, пробирки с притертыми крышками, градуированные пипетки 10 мл, груша резиновая, конические колбы 100 мл.

Приборы: универсальный лабораторный рефрактометр УРЛ-3, рефрактометр НРФ – 464.

Порядок работы с рефрактометром

1.2. 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 окрашенных или мутных веществ - производится в отраженном свете. Для этого открывается окно нижней камеры, окно верхней камеры должно быть закрыто пробкой. В окно нижней камеры направляется луч света от осветителя.

Измерение показателя преломления окрашенных и мутных веществ производят также, как измерение прозрачных растворов (см.п.1.2.).

Работа 1. Определение состава смеси глицерин-вода методом градуировочного графика

В пробирках с притертыми пробками готовят стандартные растворы смеси глицерина и воды 10,20,30,40,50,60,70,90%

Растворы тщательно перемешивают. Измеряют показатели преломления чистых глицерина и воды, а также каждой смеси. Полученные данные заносят в таблицу 1.

Таблица 1

№ смеси глицерин-вода	Содержание глицерина, %	Показатель преломления
		З1	З2	З3	З4

Строят калибровочный график в координатах глицерин, % - показатель преломления. Измеряют показатель преломления анализируемого раствора и по графику находят состав смеси глицерин-вода.