Лекция 5-6

Рефрактометрический и поляриметрический методы анализа

План:

Теоретические основы и сущность рефрактометрического анализа

Принципиальная схема измерительного устройства рефрактометра

Сущность поляриметрического анализа

1. При рефрактометрическом анализе концентрацию вещества определяют по показателю преломления света. Рефрактометрический анализ – это метод анализа сложных смесей. 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 соотношении с законом преломления.

(5.1)

Величину n2(отн.) называют относительным показателем (коэфффициентом) преломления второй среды по отношению к первой. Показатель преломления по отношению к вакууму называют абсолютным показателем преломления:

Но так как для первой среды тоже можно записать

(5.2.)

то есть относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления.

Световые лучи, входящие в состав белого света, преломляются неодинаково. Поэтому nотн зависит от длина волны падающего света (табл. 5.1)

Таблица 5.1 - Зависимость относительного показателя преломления от длины волны падающего света

λ, нм

Цвет линии

Усл. обозначение спектральной линии

nотн.при 20ºС

Голубой

F

1.3371

Желтый (Na)

D

1.3330

Красный (Н2)

С

1.3311

Как видно из таблицы 5.1 с ростом длины волны уменьшается относительный показатель преломления (nотн.). По этой причине nотн. определяют в монохроматическом свете и вводят обозначения nF,nD,nC. Относительный показатель преломления каждого вещества зависит от температуры, поэтому n20(D.F.C)

Для определения nотн. пользуются приборами, называемыми рефрактометрами. Но с их помощью измерение nотн. на границе воздух – жидкость технически неудобно. Поэтому в рефрактометрах углы падения и преломления света обычно измеряют на границе жидкость – стекло методом предельного угла. Обратимся снова к рисунку. При переходе из среды более преломляющей, в среду, менее преломляющую, угол α2 › α1. Если α2 = 900, то преломления не произойдет вообще, а Sin 900 = 1, тогда формула (5.1) будет иметь вид:

n2(отн)= Sin α1 (5.3)

Угол α1, при котором преломление не происходит, называются углом полного внутреннего отражения или предельным углом.

Или (5.4)

Следовательно, зная n2 для одной среды и измерив предельный угол α2, можно определить n1 для другой среды. В рефрактометрах многих конструкций, где средой с известным (высоким) «N» служат призмы из специальных сортов стекла, на которые и наносят исследуемый раствор. Методом рефрактометрии определяют содержание сахаров в плодах и овощах, поступающих для переработки на фабрики и консервные заводы. Также определяют жирность молока и молочных продуктов, сливочного масла.

2. Ниже приведена принципиальная схема измерительного устройства рефрактометра.

Рис. 6.1 Схема рефрактометра

Основной частью прибора является измерительная призма 3 из оптического стекла с точно известным показателем преломления «N». Источником света служит натриевая лампа или газоразрядная трубка, дающая линейчатый спектр (Рис. 6.1).

Луч света 1 падает на кювету 2, находящуюся на входной грани АВ измерительной призмы 3. Входная грань находится в оптическом контакте с исследуемой жидкостью и служит границей раздела, на которой происходит преломление и полное внутреннее отражение. Луч, соответствующий предельному углу φ, называют предельным лучом. После преломления на границе выходная грань призмы ВС – воздух он образует с нормалью к грани ВС угол β. Если угол φ близок к предельному, поле зрения 5 трубки 4 оказывается разделенным на светлую (освещенную) и темную (неосвещенную) части. В этом состоянии отсчетное устройство измерительного прибора показывает точную (до десятых долей градуса) величину угла β. Показатель преомления исследуемой жидкости рассчитывают по формуле:

n = Sin α (6.1)

где α – преломляющий угол измерительной призмы; N – её показатель преломления.

При измерениях по схеме, изображенной на рисунке должно соблюдаться условие n < N. Это ограничивает интервал значений показателя преломления, доступных для исследования с данной призмой. В комплект рефрактометра поэтому обычно входит несколько призм, позволяющих работать в различных диапазонах значений показателя преломления.

3. У обычного естественного луча колебания световой волны происходят во всех плоскостях, перпендикулярной направлению света. Луч, у которого эти колебания происходят только в какой – то одной плоскости, называют поляризованным, а плоскость в которой происходят колебания, плоскостью колебаний. Плоскость, перпендикулярная ей, называется плоскостью поляризации. Некоторые кристаллы обладают способностью пропускать свет одного определенного колебания.

После прохождения такого кристалла луч света становится поляризованным. Вещества, способные изменять плоскость поляризации, называют оптически активными веществами, а неспособные – оптически неактивными. При прохождении поляризованного света через оптически активное вещество происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Вращение называют правым и считают (+), если оно происходит по часовой стрелке, когда смотрят навстречу лучу, и левым и считают (-), если оно происходит против часовой стрелки. Оптически неактивную смесь право- и левовращающих изомеров называют рацемическим соединением.

Угол вращения плоскости поляризации α связан с концентрацией оптически активного вещества в растворе (г/мл) и толщиной слоя раствора l (дм) соотношением:

α = αуд.lc, (6.2)

где αуд – удельное вращение плоскости поляризации.

Оно зависит от природы вещества, длины волны поляризуемого света, растворителя и температуры. Α20D означает, что t = 200С, и относится к желтой D-линии Na. Уравнение (5.6) лежит в основе количественных поляриметрических методов. Молярное вращение плоскости поляризации Ф:

Ф = αудМ (6.3)

где М – молярная масса вещества.

Количественный анализ оптически активных веществ осуществляют при помощи поляриметров. Поляриметрический анализ широко используется для определения качества сахарной свеклы, а также для контроля технологических процессов при получении сахара.

В любом приборе для поляриметрического анализа есть поляризатор (П) и анализатор (А), между которыми находится трубка с анализируемым раствором. Если у них плоскости поляризации параллельны, то в отсутствие анализируемого вещества свет будет беспрепятственно проходить через оба устройства и наблюдаться в зрительную трубу. Если же у них плоскости поляризации будут перпендикулярны, то поляризованный свет проходить не будет. Это положение «на темноту».

При введении между анализатором и поляризатором оптически активного вещества в зрительной трубе появится свет. Чтобы вновь добиться «темноты», анализатор необходимо повернуть на некоторый угол, равный углу вращения плоскости поляризации анализируемым веществом.

Разновидность поляриметра – сахариметр, который применяют специально для анализа растворов сахара. В сахариметрах используется белый немонохроматический свет.

Применение такого осветителя оказалось возможным вследствие случайного совпадения вращательной дисперсии кварца и растворов сахара.

Раствор сахара вызывает правое вращение плоскости поляризации. Это вращение компенсируется введением в луч света клина из левовращающего кварца. Клином называют устройства из двух клинообразных пластинок левовращающего кварца и плоской пластинки правовращающего. Положение клина часто калибруют в единицах концентрации, или так называемых международных сахарных градусах (0S). Величина 1000S соответствует раствор сахарозы, содержащий 26 г. в 100 мл раствора при 200С и длине трубки 2 дм. и длине трубки 2 дм.

В современных конструкциях поляриметров применяют фотоэлементы и фотоумножители, которые соединены с записывающим потенциометром.

Дата добавления: 2014-01-06