Характеристика метода. 
Метод рефрактометрии

Скорость распространения света в разных средах различна. Этим обстоятельством объясняется явление преломления света, т. е. отклонения световых лучей от первоначального направления на границе раздела двух сред. Преломление света оценивается абсолютным и относительным показателями преломления света.

Абсолютным показателем преломления света (N) для данного вещества называют отношение скоростей света в вакууме (Vв) и в данной среде (Vc):

N=Vв/Vc.

Так как скорость света в вакууме больше скорости света в любой другой среде, то N всегда больше единицы.

Рисунок 2 — Изменение направления светового луча на границе вакуума с оптической средой.

На рисунке 2 изображено преломление светового луча на границе вакуума с более плотной оптической средой. Здесь имеет место равенство.

Vв/Vc = sinб/sinв или N = sinб/sinв Учитывая, что всегда N>1, угол б> угла в, так как sinб > sinв. Таким образом, если луч переходит из среды менее оптически плотной (вакуум) в среду более оптически плотную (I среда), то угол падения (б) всегда больше угла преломления (в). Этот общий случай преломления светового луча на границе двух оптических сред характеризуется относительным показателем преломления:

Nотн=VI/VII,.

где VI и VII — скорости распространения света в первой и второй средах.

В практике работы с твердыми жидкими средами показатели преломления устанавливают по отношению к воздуху и называют их показателями преломления n. Показатель преломления зависит от природы вещества, длины световой волны и температуры. Для веществ в газообразном состоянии учитывают еще давление.

В таблицах значения показателей преломлении приведены для желтой линии в спектре натрия лD=589,3 нм (линия D).

Для рефрактометрии наиболее важна зависимость показателя преломления от длины волны падающего света. Эту зависимость называют дисперсией (dispergere — рассеянный).

Дисперсия, так же как и показатель преломления, зависит от природы вещества. Чем больше разница в показателях преломления для двух волн какой-либо длины л1 и л2, тем больше дисперсия. Разность коэффициентов преломления для двух волн различной длины nл1—nл2 называют частной дисперсией, которая может служить мерой дисперсии вещества.

Табличной характеристикой дисперсии вещества является разность показателей преломления для длин волн, соответствующих граничным линиям средней части спектра водорода. В спектре водорода имеется красная линия с (лс=656,3 нм) и синяя линия F (лF= 486,1 нм). Разность показателей преломления для длин волн, соответствующих указанным линиям (nF— nc), называют средней дисперсией. Иногда вещества с близкими показателями преломления имеют резко различную дисперсию. Определение дисперсии помогает избежать ошибки при установлении природы вещества. Совпадение значений показателя преломления и дисперсии подтверждает правильность сделанного вывода о природе вещества.

При рефрактометрических измерениях необходимо учитывать зависимость показателя преломления от температуры; измерение показателей преломления веществ проводят при постоянной температуре. Если измерения проводят с целью идентификации чистого вещества, то температура опыта должна соответствовать табличным значениям коэффициентов преломления.

В процессе перекристаллизации твердого тела из одной аллотропной модификации в другую или в процессе изменения давления для газовых сред показатель преломления вещества принимает различные значения в соответствии с изменением плотности вещества.

Связь между показателем преломления n и плотностью d (в г/см 3) можно выразить уравнением:

f (n)=rd.

где r — коэффициент пропорциональности или удельная pефракция.

Существует связь между явлением рефракции и поляризацией вещества в электромагнитном поле видимого света. В результате поляризации вещества (молекул, атомов) поток световых частиц — фотонов отклоняется от заданного направления. Следовательно, преломление луча может зависеть не только от внешних факторов, но и от внутренней структуры вещества.

Для нахождения показателя преломления, отражающего внутреннюю структуру вещества, предложено несколько формул для выражения удельной рефракции r и молярной рефракции R, получаемой умножением удельной рефракции r на молекулярную массу вещества М. Одна из них формула Лорентца—Лоренца:

R=M/d*(n2−1)/(n2+2).

Величины r и R зависят от интенсивности поляризации частиц вещества в электромагнитном поле падающего света. Внешние условия: температура, давление, агрегатное состояние вещества — не оказывают влияния на молярную рефракцию. В этом аспекте молярную рефракцию рассматривают как среднюю меру поляризуемости молекул.

Исходя из того, что поляризационный эффект молекулы складывается из поляризационных эффектов входящих в нее атомов, числовое значение молярной рефракции состоит из суммы атомных рефракций. Так, молярная рефракция метана может быть представлена, как сумма атомных рефракций углерода и водорода. Например, молярная рефракция бензола является суммой атомных рефракций элементов, входящих в его состав, а именно:

RC6H6=6RC+6RH.

Если имеется смесь веществ, то их молярная и удельная рефракции слагаются из рефракций компонентов, входящих в состав смеси с учетом их количества. Например, молярная рефракция смеси бензола С 6Н 6 и мезитилена С 6Н 3(СН 3)3 будет равна:

RC6H6+C6H3(CH3)3=RC6H6чC6H6+R C6H3(CH3)3ч C6H3(CH3)3,.

где чC6H6 и ч C6H3(CH3)3— молярные доли указанных веществ в смеси.

В справочных таблицах указаны атомные рефракции.

На практике для определения молярной рефракции измеряют показатель преломления вещества и его плотности. По формуле Лорентца — Лоренца вычисляют значение молярной рефракции. Так как поляризация молекулы является суммарным эффектом поляризации входящих в ее состав атомов, числовое значение ее должно быть суммой атомных рефракций.

По табличным данным проводят проверку экспериментальных результатов, для чего суммируют атомные рефракции. Совпадение найденных значений с экспериментальными данными подтверждает правильность анализа исследуемого вещества.

Расхождения допускаются в пределах 0,2—0,4 см 3/моль для более простых соединений, а для очень сложных — в пределах 0,1—0,2 см 3/моль.

Оборудование для данного метода.

1. Оборудование для определения массовой доли воды в меде.

Рефрактометр Аббе лабораторный ИРФ-478Б (рис. 3).

Рефрактометры предназначен для измерения показателя преломления (nD) прозрачных и слабо поглощающих свет сред и концентрации растворов сахарозы по международной шкале Brix.

Рисунок 3 — Рефрактометр Аббе лабораторный ИРФ-478Б.

Баня водяная лабораторная (рис. 4) предназначена для нагревания образцов в химических стаканах, колбах или выпарительных чашках при проведении лабораторных работ. Плитка электрическая со ступенчатым регулятором (150, 300, 600 Вт) обеспечивает нагревание воды в закрытом резервуаре объемом 2 л или колбе объемом 0,5 л. Резервуар — цилиндрический алюминиевый. Плитка электрическая при номинальном напряжении и мощности 600 Вт обеспечивает: *нагревание в закрытом резервуаре бани водяной 1,5 литра воды с начальной температурой 20 °C до температуры 100 °C за время не более 45 минут; *нагревание в держателе для колбы 300 мл воды (в круглодонной колбе емкостью 500 мл) с начальной температурой 20 °C до 100 °C за время не более 35 минут.

Рисунок 4 — Баня водяная с электрообогревом.

Термометр ртутный стеклянный лабораторный ТЛ-4 (рис. 5) предназначен для измерения температуры от минус 30 0С до 360 0С. Принцип действия термометра основан на тепловом изменении объема термометрической жидкости, в зависимости от температуры измеряемой среды. Термометр состоит из капиллярной трубки с резервуаром, заполненным термометрической жидкостью. Капиллярная трубка защищена стеклянной оболочкой, внутрь которой вложена шкала, служащая для отсчёта измеряемой температуры.

Рисунок 5 — Термометр ртутный стеклянный лабораторный до 100 0С и ценой деления 1 0С по ГОСТ 28 498.

Пробирки, согласно ГОСТ 25 336–82 (рис. 6), предназначены для проведения различных лабораторных работ. Диаметр 7 мм, высота 40 мм.

Рисунок 6 — Пробирка стеклянная.

2. Оборудование для определения содержания жиров Фарфоровая ступка с пестиком для лабораторных исследований (рис. 7).

Рисунок 7 — Фарфоровая ступка с пестиком.

Бюретка без крана, прямая, с резиновым клапаном и линией Шеллбаха, 25 мл (рис. 8).

Рисунок 8 — Бюретка на 25 мл.

Воронка лабораторная В-25−38 ХС (рис. 9) применяется для переливания жидкостей и фильтрования (с помощью бумажного фильтра). Диаметр воронки 25 мм. Высота 38 мм. Воронка изготавливается из стекла марки ХС-3, НС-3.

Рисунок 9 — Воронка для фильтрования.

Колба коническая для лабораторных исследований (рис.10). Объем: 50 мл, высота: 85 мм, диаметр дна: 51 мм, диаметр горловины: 34 мм.

Рисунок 10 — Коническая колба.

Лабораторные весы ACOM JW-1 (рис. 11) предназначены для статических измерений массы грузов в научно-исследовательских организациях и лабораториях. Весы оснащены контрастным жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой на русском языке. НПВ от 220 г. до 34 кг.

Рисунок 11 — Весы лабораторные «CPА» .

Ударная лабораторная мельница (рис. 12) предназначена для быстрого и бережного предварительного и тонкого измельчения среднетвёрдых и хрупких материалов с твёрдостью до 6 по шкале Мооса в лаборатории и промышленности. При подаче отдельных зёрен максимальная начальная крупность составляет 20 мм, при непрерывном измельчении — 15 мм.

Рисунок 12 — Крестовая ударная мельница PULVERISETTE 16.

Рефрактометр DHR FR1 портативный (рис. 13) для измерения содержания сухих веществ в жидкостях. Используется в молочной, сахарной промышленности, масложировых комбинатах.

Рисунок 13 — Рефрактометр портативный 0−85 BRIX.