Рефрактометрический метод анализа. Сущность метода

Рефрактометрический метод анализа основан на определении концентрации вещества или его состава путем измерения показателя преломления. Преломлением или рефракцией называют изменение направления прямолинейного распространения света при переходе из одной среды в другую. Если луч света пересекает границу раздела двух сред прозрачных однородных сред, то направление его изменяется, т.е. луч преломляется.

Рис. 1 Преломление света на границе раздела фаз

Отношение синуса угла падения луча (sinα) к синусу угла преломления (sin β) называют показателем преломления (n).

Обычно преломление света характеризует абсолютным и относительным показателями преломления света. Отношение скоростей света в вакууме υ_в, и в данной среде υ_с называют абсолютным показателем преломления N для данного вещества.

Значение N всегда больше единицы, так как скорость света в вакууме всегда больше чем в любой другой среде.

Отношение скоростей распространения света на границе двух оптических сред характеризует относительным показателем преломления:

Часто показатель преломления измерят по отношению к воздуху, т.е. при падении света на преломляющую среду из воздуха.

Для получения абсолютного показателя преломления необходимо умножить измеренное значение показателя преломления на абсолютный показатель преломления воздуха n_возд. = 1,00027 при давлении, равном 101 325 Па и комнатной температуре 20°С.

Показатель преломления вещества определяется его природой и зависит от температуры и длины волны падающего света. Обычно повышение температуры ведет к уменьшению показателя преломления. Чаще всего рефрактометрические измерения проводят при 20°С и в справочниках приведены значения показателей преломления, измеренные при 20°С.

Зависимость показателя преломления от длины волны падающего света называют дисперсией. С увеличением длины волны значение n уменьшается. Для измерения показателя преломления применяют монохроматический свет, т.е. свет с определенной длинной волны. Индекс показателя преломления указывает, при какой длине волны проводили измерение. В таблицах значения показателей преломления приведены для желтой линии в спектре натрия λ_D= 583.3 нм (линия D). Соответственно они обозначены через n_D.

Меры предосторожности при работе

Быстрее всего в приборе выходят из строя призмы, поэтому необходимо соблюдать следующие меры предосторожности при обращении с ними:

1. Перед определением показателя преломления призмы тщательно очищаются от грязи и пыли
2. Не допускается измерение показателей преломления кис­лот и щелочей, так как они разъедают поверхность призм
3. После измерений протирают поверхности призм чистой мягкой салфеткой, смоченной водой или спиртом, вытирают на­сухо и закладывают между призмами небольшую сухую чистую салфетку или вату
4. Категорически запрещается: а) вращать винт, окрашен­ный красной краской; б) оставлять на продолжительное время между призмами исследуемую жидкость, особенно раствор каль­ция хлорида, так как поверхность призм после этого покрывает­ся тонким матовым слоем и измерение показателя преломления становится невозможным

Измерение показателя преломления

При увеличении угла падения α соответственно увеличивается угол преломления β, но он всегда меньше α. Может наступить такой момент, когда угол α достигнет 90°, при этом угол преломления достигнет максимального значения, меньшего 90°.. В этом случае луч света не будет входить на вторую среду, а будет скользить вдоль поверхности раздела двух сред. Это явление получило название полного внутреннего отражения, а угол падения луча называют предельным углом.

Если α=90°, то sinα=1 и, следовательно, откуда .

Если n₁ коэффициент преломления исследуемой жидкости, а n₂ известный показатель преломления оптической призмы, то определение коэффициента преломления исследуемого образца сводится к измерению предельного угла преломления. Принцип определения показателя преломления основан на измерении углов полного внутреннего отражения. Его используют во многих конструкциях рефрактометров.

Юстировка

Перед началом работы необходимо провести юстировку рефрактометра. Контроль юстировки можно осуществить по дистиллированной воде или по контрольной пластине. Контроль юстировки лучше проводить при температуре 20°С. При использовании контрольных пластин для юстировки окружающая температура не должна выходить за пределы (20±2)°С, а при юстировке по дистиллированной воде необходимо провести термостатирование с точностью ±0,2°С, или следует пользоваться таблицей.

Если средняя величина пятикратных отсчетов отличается более чем на ±5·10^-5 от значения n_D, награвированного на контрольной пластине, а для дистиллированной воды – от данных в таблице 3, то рефрактометр следует подъюстировать. Для этого необходимо отвинтить заглушку 3 (рисунок 2) и юстировочным ключом подвинтить головку винта, совместив значение шкалы, соответствующее награвированному значению показателя преломления на контрольной пластине, с отсчетным индексом. Граничная линия светотени при этом должна проходить точно через центр перекрестия.

Рефрактометры

Приборы, которые служат для измерения показателя преломления, называют рефрактометрами. Существуют два основных вида рефрактометров; типа Пульфриха и Аббе. Характерной особенностью рефрактометров Пульфриха является использование источников света с линейчатым спектром и измерительных призм с преломляющим углом 90°. Наиболее широкое применение получили рефрактометры Аббе. Особенностью этих рефрактометров является конструкция измерительной призмы, которая снабжена дополнительной осветительной призмой. Наличие компенсатора в приборе позволяет измерять показатель преломления жидкостей при освещении призм дневным или электрическим светом.

Принципиальная схема работы рефрактометра Аббе представлена на рис. 2 Каплю раствора наносят на нижнюю призму и закрывают верхней. Между гранями обеих призм остается очень тонкий слой жидкости. Направленный луч света входит в осветительную призму, преломляется в ней, проходит слой анализируемой жидкости, преломляется на границе жидкости и измерительной призмы, затем на границе с воздухом и направляется в зрительную трубу. Видимое в зрительной трубе поле делится на светлую и темную части. При проведении измерений необходимо добиться, чтобы появилась четкая граница света и тени, разделяющая поле зрения пополам. Это достигается поворотом призм.

Рис 2 - Принципиальная схема преломления лучей в призмах рефрактометра типа Аббе

Шкала рефрактометров Аббе градуируется непосредственно в значениях показателя преломления.

Рефрактометры термостатируют водой, которая поступает в камеры и выводится из них при помощи резиновых трубок. В ходе измерений температура контролируется термометром, который ввинчен в специальное гнездо.

Различные типы рефрактометров Аббе имеют отдельные конструкционные особенности, но принцип действия у них одинаков.

Промышленностью выпускается рефрактометры марок РЛ, РЛУ, РПЛ, ИРФ-454 Б2М и другие. Лабораторный рефрактометр-сахариметр РЛ применяют для анализа пищевых продуктов, в частности для определения содержания сахарозы. Рефрактометр имеет две шкалы. Одна показывает значение показателя преломления, а другая – содержание сахарозы в процентах, поэтому его называют сахариметром.

Рис 3 - Внешний вид рефрактометра ИРФ-454 Б2М

1 – штуцер с термометром; 2 – застежка; 3 – нониус; 4 – маховик; 5 – окуляр; 6 – штуцер; 7 – заслонка; 8 – штуцер; 9 – шарнир; 10 – крышка; 11 – зеркало; 12 – контрольная пластина; 13 – упаковка с принадлежностями; 14 – штуцер;15 – ключ;16 – корпус;17 – основание;18 – блок рефрактометрический;19 – зеркало;20 – осветитель;21 – блок питания.

Рефрактометрический метод определения растворимых сухих веществ

Дистилляция— способ разделения или очистки веществ, основанный на различные температуры кипения.

При дистилляции жидкость путем нагревания переводят в парообразное состояние, затем снова конденсируют, т.е. превращают в жидкость.

Установка для для простой дистилляции состоит из перегонной колбы 1, снабженной термометром 2, водяного холодильника 3, алонжа 4 и приемной колбы 5.

Цель работы: Определение взвешенных растворимых сухих веществ в продуктах переработки фруктов и овощей.

Оборудование и реактивы: рефрактометр, водяная баня, установка для фильтрования, термометр, весы, полугустые продукты (джемы, желе и другие).

Ход анализа:

Для определения растворимых сухих веществ, в заранее взвешенный стакан ( на 400мл) добавляем пробу в количестве 40г. затем приливаем воду 100мл дистиллированной воды. Содержимое тщательно перемешиваем стеклянной палочкой. Нагреваем содержимое стакана до кипения и кипятим в течении 2-3мин, помешивая стеклянной палочкой. Охлаждаем содержимое до комнатной температуры и тщательно перемешиваем.

Через 20мин взвешиваем анализируемую пробу с точностью до 0,01гр., фильтруем через складчатый фильтр, в сухой стакан. Фильтрат оставляют для определения показателя преломления на рефрактометре.

Обработка результата

Показатель преломления, соответствующий массовой доле сухих растворимых веществ по сахарозе, смотрим по таблице.

Массовую долю растворимых сухих веществ Х, %, вычисляем по формуле:

Р - массовая для растворимых сухих веществ в разбавленном растворе , %;

m₁ – масса анализируемой пробы после разбавления,г.;

m₀ – масса анализируемой пробы перед разбавлением, г.;

Правила работы на рефрактометре

1. До начала измерений проверяют чистоту соприкасающихся поверхностей призм
2. Проверка нулевой точки. На поверхность измерительной призмы нанести 2-3 капли дистиллированной воды, осторожно закрыть осветительной призмой. Открыть осветительное оконце и установить в направлении наибольшей интенсивности источ­ника света с помощью зеркала. Путем вращения винтов полу­чить резкое, четкое, бесцветное разграничение светлого и тем­ного поля в поле зрения окуляра. Вращая винт, нанести линию света и тени точно до совпадения с точкой пересечения линии в "Верхнем оконце окуляра. Вертикальная линия в нижнем оконце "окуляра указывает результат измерения - показатель прелом­ления воды при 20 °С-1,333. В случае других показаний пока­затель преломления устанавливают винтом на 1,333, а при по­мощи ключа (регулировочный винт снять) приводят границу "света и тени к точке цересечения линий
3. После установки прибора на нулевую точку приподнимают камеру осветительной призмы, фильтровальной бумагой, марлевой или фланелевой салфеткой снимают воду. Затем на­носят 1-2 капли исследуемого раствора на плоскость измери­тельной призмы, камеру закрывают. Вращают винты до совпа­дения границы света и тени с точкой пересечений линий. Пб шкале в нижнем оконце окуляра производят отсчет коэффициен­та преломления раствора. Концентрацию раствора определяют по соответствующим таблицам. При измерении концентрации растворов, температура которых отличается от 20°С, следует пользоваться иной таблицей
4. После каждого определения необходимо обе камеры про­мыть водой и вытереть досуха фильтровальной бумагой или салфеткой, между камерами заложить прокладку из тонкого слоя ваты
5. Определение концентрации по таблицам. Существуют таблицы для определения концентрации лекарственных средств, изготовленных весовым или весо-объемным методом. В табли­цах приведены коэффициенты преломления и соответствующие им концентрации веществ. В некоторых таблицах приведены ко­эффициенты преломления с точностью до третьего знака. В этом случае концентрация, соответствующая значению показателя преломления, взятому с четвертым знаком, определяется ин­терполированием

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М

Рис. Внешний вид рефрактометра ИРФ-454 Б2М

1– штуцер с термометром; 2 – застежка; 3 – нониус; 4 – маховик; 5 – окуляр; 6 – штуцер; 7 – заслонка; 8 – штуцер; 9 – шарнир; 10 – крышка; 11 – зеркало; 12 – контрольная пластина; 13 – упаковка с принадлежностями; 14 – штуцер;15–ключ;16–корпус; 17 – основание; 18 – блок рефрактометрический; 19 – зеркало; 20 – осветитель; 21 – блок питания рефрактометра ИРФ-454 Б2М

Подготовка пробы продукта и измерение на рефрактометре.

Жидкие продукты, не содержащие большого количества взвешенных частиц, используют для измерения. Жидкие продукты, содержащие большое количество взвешенных частиц, и пюреобразные продукты следует центрифугировать или фильтровать через несколько слоев марли, или слой ваты, или бумажный фильтр; первые порции фильтрата отбрасывать, а остальную часть необходимо использовать для измерений.

Густые продукты, у которых трудно отделить жидкую фазу, и темноокрашенные продукты следует разбавлять дистиллированной водой не более чем в два раза. При этом измельченную навеску густого продукта массой не менее 40 г разбавить водой, выдержать не менее 15 мин в кипящей водяной бане, затем смесь охладить, взвесить и отфильтровать как указано выше. Темноокрашенные жидкие продукты только перемешать с водой, определяя массу навески и смеси.

Перед началом работы необходимо протереть призмы рефрактометра марлей или ватой, смоченной дистиллированной водой или спиртом, высушить и проверить юстировку рефрактометра в соответствии с инструкцией.

Измерения необходимо проводить при температуре от 10 до 40°C, используя шкалу, градуированную в единицах массовой доли сахарозы. Во время измерений температуру следует поддерживать постоянной в пределах±0,5°C. При необходимости следует включить систему термостатирования призм рефрактометра и регулировать подачу воды так, чтобы выполнялись указанные выше условия. Температуру измеряемого раствора довести до значения, отличающегося от температуры призм не более чем на ±2°C.

Необходимо проводить два параллельных измерения.