Во многих случаях показатель преломления бинарных растворов линейно изменяется с составом раствора. Зависимость показателя преломления растворов от концентрации устанавливается эмпирически для каждого отдельного вещества, методом построения калибровочной кривой. Готовят серию растворов известных концентраций, измеряют их показатели преломления и строят калибровочный график в координатах концентрация - показатель преломления.
Концентрацию двухкомпонентных растворов можно также вычислить, пользуясь формулой:
где х - концентрация раствора, % (масс.); n - показатель преломления раствора; n0 - показатель преломления растворителя при той же температуре; F - фактор, равный величине прироста показателя преломления при увеличении концентрации на 1 % (устанавливается экспериментально).
Если разница в показателях преломления составляющих раствор компонентов равна примерно 0,1, то точность определения концентрации может составить сотые доли процента.
Показатель приломления
Чаще всего для количественной оценки преломления света используют показатель преломления. Различают понятия абсолютного и относительного показателя преломления. Преломление света связано с изменением скорости света при переходе из одной среды в другую.
Абсолютный показатель преломления света– это отношение скорости распространения света в вакууме к скорости прохождения света в другой среде. Показатель преломления не может быть меньше единицы, так как скорость света в вакууме – максимальная.
Относительный показатель преломления света– это отношение скорости распространения света в одной среде к скорости прохождения света в другой среде. Так как показатель преломления не может быть меньше единицы, под первой средой всегда имеется в виду менее оптически плотная.
Согласно закону преломления света относительный показатель преломления света равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления:
Показатель преломления зависит от природы вещества, температуры, длины волны падающего света, концентрации (для растворов) и давления (для газов).
9. Мольная, удельная рефракция. Зависимость от различных факторов. Расчет рефракции.
Установлено, что не сам показатель преломления, а некоторая функция от него прямо пропорциональна плотности:
f (n) = r ×ρ,
где f (n) – некоторая функция показателя преломления;
r – коэффициент пропорциональности, называемый удельной рефракцией;
ρ – плотность.
Согласно формуле Лоренц – Лорентца, эта функция имеет вид:
тогда
При умножении удельной рефракции на молярную массу получаем молярную рефракцию:
Удельная и молярная рефракции не зависят от внешних условий – температуры, давления, агрегатного состояния вещества.
Приёмы нахождения неизвестной концентрации
В рефрактометрии используют следующие приёмы нахождения концентрации по величине аналитического сигнала:
§ Метод градуировочного графика. Можно использовать даже в случае нелинейной зависимости (рис.).
§ По специальным рефрактометрическим таблицам n – ω, которые составлены для многих веществ.
§ Метод стандартов – по значению аналитического рефрактометрического фактора F.
Зависимость показателя преломления раствора
от массовой доли определяемого компонента.
10. Аппаратура для рефрактометрических измерений.
Рефрактометры типа Аббе и типа Пульфриха.
Рефрактометры
Рефрактометры различаются диапазонами измерения и источниками света. Если для освещения используется белый свет, в состав прибора входят часто также призмы для компенсации различия в длине волны. Благодаря этому можно определять показатель преломления при длине волны желтой линии D спектра натрия, проводя измерения при дневном свете или при свете лампы накаливания.
Из многих типов рефрактометров, предназначаемых для непосредственного измерения показателя преломления жидких и твердых веществ по предельному углу преломления или полного внутреннего отражения, их средней дисперсии и для определения концентрации растворов, рассмотрим как основные два отечественных рефрактометра типа Аббе - рефрактометр УРЛ и рефрактометр ИРФ-22.
Рефрактометр Аббе
Имеет шкалу для отсчета показателя преломления от 1,300 до 1,700. Измерения могут проводиться в проходящем и в отраженном свете. Главными узлами рефрактометра (рис. 119) являются призменный блок 3, установочная лупа 1 и стеклянный лимб с отсчетным микроскопом 5.
Призменный блок состоит из двух призм (измерительной и осветительной), на поверхности которых тонким слоем распределяется анализируемая жидкость (около 0,05 мл). Призменный блок может быть нормальным или оснащенным проточным приспособлением. Проточный призменный блок предназначается для анализа непрерывно протекающих жидкостей, в том числе и легколетучих. В проточном блоке над поверхностью измерительной призмы имеется узкий промежуток, через который и протекает анализируемая жидкость. Призменный блок термостатируется. Блок имеет собственный источник света (на 6 В и 1,8 Вт), закрепленный зажимным патроном перед измерительной призмой для измерений в проходящем или отраженном свете. Нормальный призменный блок 3 применяется для анализа отдельных проб жидкостей, а также твердых и пластических веществ.
Установочная лупа 1 служит для наблюдения за предельной линией полного внутреннего отражения. Встроенный в ней компенсатор - призма Амичи - используется для устранения цветной каемки вдоль предельной линии и получения четкого изображения этой линии. В окуляре отсчетного микроскопа, связанного с установочной лупой, видны деления для отсчета показателя преломления. Поле зрения окуляра освещается дневным светом или светом от лампы накаливания через зеркало, установленное на призменном блоке.
При измерении в проходящем свете световой поток падает в осветительную призму через зеркало 6 или непосредственно от источника света, установленного на призменном блоке, проходит через пробу анализируемого вещества и попадает в измерительную призму. Затем свет поступает в установочную лупу. При измерении в отраженном свете он падает непосредственно в измерительную призму, затем отражается от смоченной пробой поверхности измерительной призмы и попадает в установочную лупу.
При измерениях в обоих случаях в поле зрения окуляра установочной лупы наблюдается светлое и темное поля (рис. 120). Линия раздела между обоими полями соответствует углу полного внутреннего отражения. При измерении в проходящем свете достигается большая контрастность светлого и темного полей; при измерении в отраженном свете оба поля менее контрастны. При освещении белым светом линия раздела сначала получается с цветной каемкой. Эта каемка устраняется вращением маховичка 2 (см. рис. 119) дисперсионного компенсатора. Вращением маховичка 4 устанавливают полученную бесцветную линию на точку пересечения крестовины. При этом одновременно поворачивается лимб. Через микроскоп делают отсчет показателя преломления или содержания сухого вещества в исследуемом растворе, например на рис. 121:
Мутные жидкости, пластические вещества, а также сильно окрашенные жидкости можно измерять только в отраженном свете.
С помощью рефрактометра Аббе определяют концентрацию растворов и проводят испытание жидкостей на чистоту, контроль шлифов, пластичных и твердых веществ. Им можно исследовать водные, спиртовые, эфирные и другие растворы; масла и воски; фруктовые соки, сиропы, сахарные растворы; жиры, растительные масла, настойки, напитки, смолы и пластмассы. Выпускается в СССР и в ГДР.
