РЕФРАКТОМЕТРИЯ
Рефракция -преломление световых лучей на границе раздела двух оптических сред
· Теоретические основы метода
·
Рефрактометрический метод основан на преломлении света при прохождении луча через границу раздела прозрачных однородных сред. При падении луча света на границу раздела двух сред происходит частичное отражение света от поверхности раздела и частичное распространение света в другой среде.
Рисунок 1- Поведение луча на поверхности раздела
Линия ММ на рис. 1 изображает поверхность (границу) раздела между воздухом и стеклом. Падающий луч монохроматического света (света, условно одной длины волны) составляет с нормалью ОО к поверхности раздела сред угол АВО = α. Этот угол называется углом падения луча. В другой среде луч составляет с нормалью угол преломления ОВС = β.
Если изменять угол падения луча α, то будет изменяться и угол преломления луча β, но при этом всегда будет сохраняться неизменным отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления.
Закон преломления:
Для оптически однородных сред отношение синусов углов падения и преломления величина постоянная и называется показателем или коэффициентом преломления второй среды по отношению к первой
n (2,1) = 
Если заменять стекло на другие однородные прозрачные среды (например, воду, другой сорт стекла), то в любом случае n будет оставаться величиной постоянной, но значения её будут другими. Причём, чем больше значение n, тем больше оптическая плотность второй среды.
Наименьшую оптическую плотность имеет вакуум, в котором наибольшая скорость распространения света
Если луч входит в какую-либо однородную прозрачную среду не из другой прозрачной среды, а из вакуума, то такой показатель преломления называется абсолютным показателем преломления среды (Nв).
Абсолютный показатель преломления N – это отношение скорости света в вакууме (Vв) к скорости света в данной среде (Vс)
Nв = 
Vв=3*108м/с
Скорость в вакууме наибольшая, поэтому всегда N>1
Очевидно, при переходе из более плотной среды (стекло, рис. 1) в менее плотную (воздух) луч удалится от нормали, а показатель преломления примет обратное соотношение:
Показатель преломления как постоянная величина является характеристикой вещества (подобно температуре плавления).
Свет как электромагнитное излучение при прохождении через однородную прозрачную среду, и взаимодействуя с её частицами (молекулами, атомами, ионами), изменяет свою скорость. Наибольшая скорость распространения света достигается в вакууме (С0 = 3·108 м/с). В воздухе скорость света (Св) уменьшается, и значение абсолютного показателя преломления воздуха (Nв) составляет:
Относительный показатель преломления определённой среды nс – это отношение скорости света в воздухе к скорости света в исследуемой среде
nс = 
V1, V2-скорость распространения света в первой и второй средах
Таким образом, абсолютный и относительный показатели преломления воздуха связаны между собой соотношением:
Для жидких и твердых тел показатель преломления определяют, как правило, относительно воздуха, а для газов – относительно вакуума.
Показатель преломления зависит от природы вещества, длины волны света (λ, нм), температуры
Заключение:
Рефрактометрический метод основан на измерении показателя преломления в зависимости от состава система (раствора)
· Аппаратура метода
Рефрактометр - прибор для измерения показателя преломления
Устройство рефрактометра. Основная часть прибора – призменный блок (рис. 2).
Луч полихроматического света от источника 1 падает на осветительную призму 2. Проходя через нее, луч попадает в анализируемый раствор, помещенный между призмами. На границе между раствором и гранью нижней (измерительной) призмы 3 свет преломляется. Преломленный луч света направляется в зрительную трубку 4, где находится система линз и компенсатор дисперсии – призма Амичи 5. Призма Амичи склеена из трех призм разных сортов стекла и предназначена для устранения дисперсии света.
Призма Амичи
На линзу окуляра 7 нанесено перекрестье (или визирная линия в виде трех штрихов), соответствующее оси зрительной трубки. Поворотом зрительной трубки вокруг оси призмы совмещают оптическую ось с предельным лучом (полное внутреннее отражение). Поле зрения при этом разделяется на светлую (освещенную) и темную (неосвещенную) части. С подвижным блоком связана шкала 6. Совмещают перекрестье с границей светотени и по шкале измеряют показатель преломления.
Рисунок 2. Принципиальная схема рефрактометра: 1 – источник света; 2 – осветительная призма; 3 – измерительная призма; 4 – зрительная трубка; 5 – призма Амичи; 6 – шкала; 7 – окуляр
Прибор снабжен двумя шкалами: шкалой показателя преломления в пределах 1,300 – 1,540 с ценой деления 2·10–4 и шкалой массовых долей сухих веществ (по сахарозе) в пределах 0 – 95 %.
Шкала рефрактометра
Правила работы на рефрактометре.
Перед началом измерений проверяют правильность показаний прибора по дистиллированной воде. Для этого на измерительную призму капельной пипеткой помещают несколько капель дистиллированной воды. Опускают осветительную призму и плотно прижимают ее к измерительной. Перемещая осветительную лампу, направляют луч света на систему призм. Изменяют положение зрительной трубки и одновременно наблюдают в окуляре границу раздела светлой и темной частей поля зрения. Если граница нечеткая и наблюдается спектр, необходимо компенсатором устранить дисперсию света. Резкость устанавливают, вращая окуляр на зрительной трубке. Окуляр передвигают до совмещения перекрестья линий (или визирной линии) с границей раздела и по левой шкале измеряют показатель преломления воды (
= 1,3330). На правой шкале (массовая доля сухих веществ, %) при этом должна быть отметка «нуль».
Измерения выполняют при температуре 20 ОС.
Рефрактометры: Аббе ИРФ-454 RHB-90АТС
· Проведение анализа
Рефрактометрическим методом анализа можно провести качественный и количественный анализ органического вещества.
Для проведения качественного анализа необходимо измерить показатель преломления и по нему рассчитать практическое значение мольной (молярной) рефракции, а затем сравнить с ранее рассчитанным теоретическим значением по сумме атомных рефракций. Если природа вещества определена верно, то значение практической рефракции совпадет с теоретической.
Также можно измерить угол преломления, затем с помощью таблиц пересчитать на показатель преломления, и далее, воспользовавшись теми же формулами, определить, правильно ли определена природа вещества.
В количественном анализе в основе рефрактометрических измерений растворов лежит зависимоть между концентрацией раствора вещества и его показателем преломления, которую выражают формулой:
n = n0 + F*C,
где:
n- показатель преломления раствора
n0-показатель преломления растворителя
C-концентрация раствора, моль/л
F-фактор показателя преломления, равный величине прироста показателя преломления при увеличении концентрации на 1 %
Экспериментально было подтверждено, что фактор зависит от природы и концентрации растворенного вещества.
Значения фактора находят по справочным таблицам
Для проведения количественного анализа необходимо:
· приготовить серию градуировочных растворов,
· измерить показатель преломления,
· построить график зависимости показателя преломления от концентрации градуировочных растворов,
· измерить показатель преломления контрольного раствора и по графику найти его концентрацию.
Градуировочный график строится в стандартных условиях.
Зависимость n = f(с) линейна, проходящая через точку, соответствующую показателю преломления растворителя.