На главную

Рефрактометрия

          Рефрактометрия один из широко используемых в анализе веществ метод, позволяющий довольно просто определить вещество находящееся в жидком состоянии, или определить концентрацию двухкомпонентных растворов. 
          Рассмотрим поподробнее  принципы измерения и возможности этого метода.          

          Рефрактометрия - метод, основанный на явлении преломления, изменении прямолинейного распространения света при переходе из одной среды в другую, называемого рефракцией.

           Показателем преломления (коэффициентом преломления) называют отношение синуса угла падения луча света к синусу угла его преломления [1]

sin a/sin b  = n

           Если луч света переходит из вакуума или из воздуха в другую среду, то угол падения всегда больше угла преломления. При увеличении угла падения, изменяется соотношение между долями световой энергии проходящей в другую среду и отраженной от нее. При угле падения 40⁰ и выше, луч света полностью отражается от поверхности раздела и называется углом полного внутреннего отражения. Зная угол полного внутреннего отражения, можно определить показатель преломления

n = 1/sin a'  

где a'-угол полного внутреннего отражения.

           В связи с тем, что показатель преломления зависит от длины волны, существуют несколько показателей преломления для одних и тех же веществ, имеющие следующие обозначения:
n_D- показатель преломления желтой линии натрия (линия D)
n_C-показатель преломления красной линии водорода (линия C)
n_F-показатель преломления синей линии водорода (линия F)
n_G -показатель преломления фиолетовой линии водорода (линия G).

         Так как показатель преломления зависит от внутреннего состояния вещества, он также зависит от температуры, давления, концентрации, природы растворителя. Поэтому для систематизации полученных результатов, принимается показатель преломления (принятых стандартными), снятый при температуре 20±0,3 ⁰С, в спектре натрия (598,3 нм). Полученный в данных условиях показатель преломления имеет обозначение n_D^{20 ,} который и используется в справочных данных основных физико-химических свойств веществ. 
          Обычно измерение показателя преломления проводят при температуре 20 0С. Однако, при измерениях в условиях другой температуры, вводят поправку на температуру по формуле [2].

n' = n²⁰ + (20-t)_*0,0002

  где n'-показатель преломления при измеряемой температуре, n - стандартный показатель преломления, t - температура, при которой проводилось измерение.

          Для воды и водных растворов при температурах 20±5 0С показатель преломления изменяется практически на одну и ту же величину, поэтому в этом интервале температур, для водных растворов температурную поправку вносить не нужно.

          Наиболее распространенном в аналитических лабораториях является рефрактометры Аббе, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.

        Pефрактометр Аббе позволяет применять освещение не монохроматическим, а белым светом, откалиброванным под желтую линию натрия. При этом в окуляре 5 получается окрашенная граница поля. Схема прохождения луча света в рефрактометр Аббе при различных углах поворота призмы показана на рис. 1.
         Для определения показателя преломления на рефрактометре Аббе 2—3 капли исследуемого вещества помещают между половинками призмы и плотно сжимают их. Поворотом зеркала или источника света, ярко освещают призму белым светом. Все поле в окуляре должно быть освещено равномерно (рис. 1, а). Неравномерное освещение поля, темные пятна на нем указывают на недостаточное количество взятой для анализа жидкости. В таком случае следует раскрыть призмы, добавить несколько капель исследуемой жидкости и снова плотно сжать их. Пропуская воду необходимой температуры в обкладку призмы, добиваются постоянства температуры призмы и исследуемою вещества. После этого поворотом призмы добиваются появления темного поля в окуляре. Появление темного поля соответствует такому положению призмы, при котором с лучем света происходит полное внутреннее отражение от поверхности раздела между призмой и исследуемым веществом. Если граница в окуляре не резкая или окрашенная, то добиваются компенсатором резкой границы темного поля.
         Точность измерения на рефрактометрах Аббе достигает 0,0001 – 0,0003.  
         Показатель преломления исследуемого вещества в рефрактометре Аббе обычно отсчитывают непосредственно по шкале или определяют при помощи специальных таблиц.

          На практике рефрактометрия используется для определения концентрации растворов, если ее величина не ниже 3%.
          Для большинства водных растворов в которых содержится одно растворенное вещество, зависимость показателя преломления от концентрации выражается следующим уравнением

С = (n-n₀)/F

где n - показатель преломления раствора,  n₀ - показатель преломления растворителя, F - фактор показателя преломления, показывающий величину прироста показателя преломления при увеличении концентрации раствора на 1%.
          Значения F можно найти в справочной литературе, или вычислить самостоятельно экспериментальным путем. Для наиболее часто выполняемых определений существуют таблицы и диаграммы, позволяющие довольно быстро проводить необходимые вычисления (Приложение 1). 
          При анализе тройных систем, нельзя точно определить по показателю преломления значения концентраций. Поэтому для решения этой задачи дополнительно используют какой либо иной физико-химический метод, с использованием которого находят концентрацию анализируемого раствора.
          Например, можно посмотреть на диаграмму определения тройной смеси вода-этанол-метанол, которая на основе показателя преломления исследуемой смеси и ее плотности позволяет определить концентрации всех входящих в нее компонентов.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Показатели преломления n_D^17,5 водных растворов кислот, солей и оснований

2. Показатели преломления водных растворов метилового спирта при 15, 17,5 и 20° С

3. Показатели преломления водных растворов этилового спирта при 15, 17,5 и 20° С

4. ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРОПИЛОВОГО И ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТОВ ПРИ 15 и 20° С

5. ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ГЛИЦЕРИНА ПРИ 20° С

6. ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ ПРИ 20° С

7. ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ САХАРОЗЫ ПРИ 20° С
   (Международная шкала 1936 г.)

8. Поправки на температуру для рефрактометрического анализа  водных растворов сахарозы

 Литература

1.  Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. М., "Химия", 1973. 536с.
2.  Шаповалова В.А. Заболотный В.А. - Харьков, ИМП "Рубикон" 1995.-400с.,