Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

РЕФРАКТОМЕТРИЧНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ

Заломлення світла, рефракція - зміна напрямку поширення світла при його проходженні через кордон розділу двох середовищ. Термін «рефракція світла» частіше використовують при описі поширення світла в середовищі з плавно мінливих коефіцієнтом заломлення від точки до точки.

Показник заломлення вимірюють рефрактометрами, а особливо точно - інтерферометрами.

Абсолютний показник заломлення світла п - відношення швидкості світла у вакуумі з до фазової швидкості світла в даному середовищі V

Абсолютний показник заломлення п залежить від хімічного складу середовища, її стану (температура, тиск і т.д.) і частоти світла /.

Відносний (середовища 2 щодо середовища 1) показник заломлення У 12 - це відношення фазових швидкостей світла в середовищах 1 (V x ) і 2 (V 2 ) (рис. 6.1), тобто

Середу з великим значенням п називають оптично більш щільною (2), ніж середовище з меншим значенням п ( 1).

Переломлення променя у плоскій поверхні розділу між середовищами / і 2 з різними показниками заломлення

Мал. 6.1. Переломлення променя у плоскій поверхні розділу між середовищами / і 2 з різними показниками заломлення:

а - кут падіння; р - кут заломлення

Для видимих променів світла при температурі 0 ° С і тиску 101 325 Па показник заломлення повітря п 0 = 1,000293. Для отримання абсолютного значення показника заломлення, що визначається при звичайних умовах (в повітрі), значення п Л2 необхідно помножити на /? 0 , т.с.

У табл. 6.1 наведені значення коефіцієнтів заломлення деяких речовин.

Таблиця 6.1

Коефіцієнти заломлення різних речовин

речовина

Коефіцієнт заломлення п

речовина

Коефіцієнт заломлення п

повітря

1,000293

бензол

1,50

Лід (-5 ° С)

1,31

Скло, крон

1,5097

Вода (20 ° С)

1,333

кам'яна сіль

1,5412

плавлений кварц

1,4587

Скло, флінт

1,7004

Парафін (рідкий)

1,48

алмаз

2,4195

Рефрактометричний метод аналізу рідких середовищ заснований на використанні залежності показника заломлення бінарної (псевдобінарной) суміші від співвідношення її компонентів, тобто

де п р - показник заломлення розчинника; С - концентрація розчину; k - емпіричний коефіцієнт (інкремент, від лат. incrementum - «зростання», «збільшення») показника заломлення.

Він є неселективним кількісним методом аналізу.

На рис. 6.2 показані залежності показника заломлення деяких розчинів від концентрації.

Залежність показника заломлення водних розчинів п від концентрації розчинених речовин З

Мал. 6.2. Залежність показника заломлення водних розчинів п від концентрації розчинених речовин З:

1 - NaCl; 2 - CaCl; 3 - етиленгліколь; 4 - етанол; 5 - метанол

Для вимірювання коефіцієнта заломлення п але кутку заломлення зразком з досліджуваного твердого матеріалу надають форму призми (рис. 6.3, а ) з заломлюючим кутом а і визначають п, домагаючись поворотом призми мінімального кута відхилення променя 5, що має місце при рівності кутів входу променя в призму г, і виходу з неї i 2 . При цьому показник заломлення визначають за формулою

Вимірювання п по куту заломлення

Мал. 6.3. Вимірювання п по куту заломлення:

а - твердого тіла; б - рідини

Для визначення цим же методом п рідини її заливають в тонкостінну призматичну кювету або в призматичну виїмку в матеріалі з відомим коефіцієнтом заломлення п м (рис. 6.3, 6). При а = 90 ° і при рівнобедреної призмі (у, = у 9 ) п дорівнює

Похибка визначення значення п цим методом становить 10 5 , а мінімально вимірюється різниця п двох речовин приблизно 10 ~ 7 .

При використанні для вимірювання п явища повного внутрішнього відображення зразок вимірюваного матеріалу (тверде тіло, густа, непрозора і забарвлена рідина і т.п.) призводять в оптичний контакт з еталонною призмою з матеріалу з високим і заздалегідь точно відомим показником п і (див. Рис . 6.4). Світло можна направляти як з боку зразка, так і з боку призми. В обох випадках в певному і дуже вузькому інтервате падіння пучка променів на межу розділу зразка і призми за допомогою зорової труби можна спостерігати кордон, що розділяє темний і світлий ділянки поля і яка відповідає граничному, або критичного, куту падіння променя. Тоді п дорівнює

Похибка методу складає близько 10 ~ 5 .

Вимірювання п з використанням явища повного внутрішнього

Мал. 6.4. Вимірювання п з використанням явища повного внутрішнього

відображення

В інтерференційних методах різницю Д п порівнюваних середовищ визначають але числа порядків інтерференції променів, що пройшли через ці середовища. На рис. 6.5 дана схема, яка пояснює принцип дії інтерференційного рефрактометра.

Інтерференційний рефрактометр

Мал. 65. Інтерференційний рефрактометр

Дві частини світлового променя, проходячи через кювети довжиною /, заповнені речовиною з різним показником заломлення, набувають різниці ходу і, зведені разом, дають на екрані інтерференційну картину. Різниця Ап дорівнює

де X - довжина хвилі світла.

Цей метод застосовують, наприклад, при вимірюванні коефіцієнта заломлення газів і розбавлених розчинів. Похибка методу досягає 10-8-Ю-7.

На рис. 6.6 показаний портативний рефрактометр для вимірювання сахарози від 0 до 30% (показник заломлення 1,3-1,51) в харчових, хімічних, нафтохімічних продуктах, сировині, плодах, ягодах, біологічних пробах, стічних водах, цукровому буряку та ін.

портативний рефрактометр

Мал. 6.6. портативний рефрактометр

При побудові промислових рефрактометрів найбільшого поширення набув метод призми, що реалізується шляхом вимірювання відхилення променя, що проходить через систему порожнистих призм. Зазначені прилади називають рефрактометрами разностной призми, різницевими або диференціальними.

При проходженні променя через систему з двох призм (рис. 6.7) з різними показниками заломлення і, і п 2 промінь відхиляється на кут р

аналізований розчин

Мал. 6.7. Хід променів через призму з двох суміжних призм

При вимірюванні малої різниці показників заломлення, коли А п = = я, - п 2 і sin Р = р,

У разі системи з трьох призм (рис. 6.8) кут виходу р дорівнює

Знаючи значення показника заломлення однієї з призм, наприклад п { , і вимірюючи кут відхилення р, можна визначити значення п 2 .

Хід променів через призму з трьох суміжних призм

Мал. 6.8. Хід променів через призму з трьох суміжних призм

Схема рефрактометра з обертовим дзеркалом показана на рис. 6.9. Зміна показника заломлення аналізованої рідини п призводить до відхилення променя на кут р. Це відхилення компенсується поворотом дзеркала на кут (р

Схема рефрактометра з обертовим дзеркалом

Мал. 6.9. Схема рефрактометра з обертовим дзеркалом

Схема рефрактометра з переміщається фотоприймачем показана на рис. 6.10. При зміні п відхилення променя на кут Р компенсується переміщенням фотоприймача на величину Ах. При оптичному плечі / і малих кутах Р отримаємо

Схема рефрактометра з переміщається фотоприймачем

Мал. 6.10. Схема рефрактометра з переміщається фотоприймачем

Схема рефрактометра з обертової плоскопараллельной пластиною показана на рис. 6.11. При зміні п відхилення променя на кут р компенсується зсувом променя на Ах поворотом плоскопараллельной пластини на кут пор. При товщині пластини d і її показнику заломлення п п статична характеристика рефрактометра має вигляд

Схема рефрактометра з обертової плоскопараллельной

Мал. 6.11. Схема рефрактометра з обертової плоскопараллельной

пластиною

завдання

6.1.1. Для вимірювання показника заломлення аміаку в одне з плечей інтерферометра Майкельсона (A. Michelson - американський фізик, 1852-1931) поміщена закрита з обох сторін відкачати до глибокого вакууму скляна трубка довжиною / = 15 см. При заповненні трубки аміаком інтерференційна картина для довжини хвилі X = 589 нм змістилася на 192 смуги. Визначте показник заломлення аміаку.

Рішення

А = 2 {In - 1п 0 ), але оскільки п 0 = 1, то А = 2 1 (п - 1). Однак А = ТХ, отже 2 1 {п - 1) = ТХ, звідки п = + 1 = ^ = 1,000377.

  • 2 / 2- 1е-10 z
  • 6.1.2. Па шляху променів інтерференційного рефрактометра поміщаються трубки довжиною 2 см з плоскопараллельнимі скляними підставами, наповнені повітрям ( п 0 = 1,000277). Одну трубку заповнили хлором, при цьому інтерференційна картина змістилася на т = 20 смуг. Визначте показник заломлення хлору, якщо спостереження проводили в монохроматичному світлі довжиною хвилі 589 мм.

Відповідь : п = 1,000866.

6.1.3. За відомими значеннями показника заломлення хлороформу і хлорбензолу при 293 К, щільності чистих рідин, показника заломлення та щільності розчину визначте концентрацію хлороформу в розчині

Рішення

Нехай концентрація хлороформу - х%, тоді концентрація хлорбензолу (100 - х)%. Підставляючи числові значення, отримаємо

звідки х = 57,1. Отже, концентрація хлороформу 57,1%, а хлорбензолу - 42,9%.

6.1.4. Обчисліть показник заломлення речовини та оцініть похибку вимірювань, якщо граничний кут відхилення, певний на рефрактометрі Пульфріха (С. Pulfrich - німецький оптик, 1858-1927), дорівнює 54 ° 25 '± 2', а показник заломлення скла призми - 1,5147.

Рішення

Обчислимо показник заломлення для граничних значень відрахованих кутів (верхня межа а в = 54 ° 23 ', нижній - а в = 54 ° 27') п н = ^ / l, 5147 2 - (sin54 ° 23 ') 2 = 1,2781 ; " В => / l, 5147 2 - (sin54 ° 27) 2 = 1,2776, тоді п = 1,2779 ± 0,0002.

6.1.5. Обчисліть показник заломлення речовини, якщо граничний кут відхилення, певний рефрактометром Пульфріха, дорівнює 52 ° 25 ', а показник заломлення скла призми - 1,62105.

Відповідь : 1,415.

6.1.6. Для визначення складу водних розчинів пропилового спирту були визначені показники заломлення:

концентрація спирту,% 0 10 20 30 40

показник заломлення 1,3333 1,3431 1,3523 1,3591 1,3652.

Побудуйте калібрувальний графік і визначте зміст пропилового спирту в розчині, показник заломлення якого дорівнює 1,3470.

Відповідь : З = 15,5%.

6.1.7. Для визначення складу водно-ацетонових розчинів були отримані наступні дані:

вміст ацетону,% 10 20 30 40 50

показник заломлення 1,3340 1,3410 1,3485 1,3550 1,3610.

Побудуйте калібрувальний графік, виведіть рівняння статичної характеристики і визначте по ньому вміст ацетону в водному розчині.

Рішення

Градуювальна характеристика рефрактометра показана на рис. 6.12.

Рівняння статичної характеристики має вигляд п = 1,3279 + 6,7Ю _4 С, звідки ^ 1,3500-1,3279 _

6 = 6,7- 1 (І = 33 / ° -

Градуювальна характеристика рефрактометра

Мал. 6.12. Градуювальна характеристика рефрактометра

6.1.8. При рефрактометричних визначенні гліцерину були отримані наступні дані:

обсяг води, мл 0 2 4 6 8 10

обсяг гліцерину, мл 10 8 6 4 2 0

показник заломлення 1,4740 1,4484 1,4211 1,3915 1,3627 1,3330.

Побудуйте калібрувальний графік, виведіть рівняння статичної характеристики, визначте по ньому вміст гліцерину в воді при п = 1,4050 і 1,4580.

Відповідь: З х = 51%, С 2 = 93%.

6.1.9. При визначенні пропилового спирту на рефрактометрі отримані наступні показання за шкалою рефрактометра:

вміст спирту,% 0 5 10 15 20 25 30

показання рефрактометра 7,7 9,9 12,1 17,8 23,8 31,0 42,5.

Побудуйте калібрувальний графік рефрактометра, виведіть рівняння статичної характеристики і визначте по ньому зміст пропилового спирту, якщо показання рефрактометра рівні 11,8 і 27,5 ділення.

Відповідь: З { = 9,6%, С 2 = 23,2%.

6.1.10. Для двох водних розчинів аскорбінової кислоти з концентрацією С { = = 4,44% і С 2 = 6,36% знайдені значення показника заломлення я, = 1,3400 і п 2 = = 1,3430, а для аналізованого розчину п = 1 , 3420. Розрахуйте концентрацію аскорбінової кислоти в уже згадуваному розчині, якщо показник заломлення розчинника - води п = 1,3330.

Відповідь: 5,76%.

  • 6.1.11. Для чого в фотоколориметрія застосовують світлофільтри? Вкажіть правильну відповідь:
    • а) для підвищення точності аналізу;
    • б) підвищення чутливості аналізу;
    • в) виділення ділянки спектра з найбільшим светопоглощенієм;
    • г) ослаблення світлового потоку.

Відповідь: в.

Контрольні питання і завдання

  • 1. Що таке переломлення світла (рефракція)?
  • 2. Що характеризує абсолютний, а що - відносний показник заломлення?
  • 3. Сформулюйте закони заломлення світла.
  • 4. Що є державним первинним еталоном показника заломлення?
  • 5. Як залежить концентрація речовини від показника заломлення?
  • 6. Які методи використовують в рефрактометрії?
 
<<   ЗМІСТ   >>