Теоретичні основи рефрактометричного аналізу

Рефракцією (лат. Refractus - зломлений) називають явище заломлення світлових променів на межі розділу двох різних за своєю природою оптичних середовищ. Термін "рефрактомерія" означає вимірювання заломлення світла. Оскільки заломлення світла оцінюється за величиною так званого показника заломлення, то під рефрактометрією розуміють вимірювання показника заломлення світла.

Рефрактометричним аналізом називають метод аналізу, оснований на залежності показника заломлення від складу системи. Ця залежність встановлюється експериментально шляхом визначення показника заломлення для ряду стандартних систем відомого складу.

На основі отриманих даних будують калібрувальний графік у координатах: склад суміші – показник заломлення. При цьому на осі складу відкладають вміст одного із компонентві у суміші (у %). Маючи такий графік, можна визначити показник заломлення суміші невідомого складу і встановити її склад.

Для водного розчину цукру такий графік має наступний вигляд (рис.1):

n_Д

с_цукру, %

Рис.1. Графік залежності n_Д водного розчину цукру від концентрації.

Перевагами рефрактометричного метода аналізу є: простота, точність (до сотих часток процента аналізованої речовини), швидкість, можливість проводити аналіз, маючи дуже малу кількість речовини (0,05 – 0,5 г).

Рефрактометрія широко застосовується для кількісного аналізу різних бінарних систем (водних і неводних розчинів речовин, сумішей двох рідин). Звичайними об'єктами аналізу є розчини спиртів, цукрів, гліцерину, кислот, основ, солей. Велике значення має рефрактометричний метод для аналізу різноманітних складних систем: біологічних і харчових продуктів, медичних препаратів тощо.

У багатьох випадках аналіз таких систем спрощується за рахунок того, що частина компонентів суміші знаходиться практично в сталому співвідношенні. У цьому випадку виявляється можливим окреме визначення вмісту тільки таких компонентів (одного або двох), концентрація якого є змінною і сумарне визначення всіх решти. Визначення показника заломлення широко застосовується для встановлення ступення чистоти речовини.

Показник заломлення є однією з найважливіших індивідуальних констант речовини і присутність домішок може помітно вплинути на його значення. Вміст домішок може бути встановлено кількісно. Визначення величини показника заломлення надає велику допомогу при необхідності ідентифікації – встановленні природи речовини, розпізнаванні, з якою речовиною має справу аналітик. Крім визначення показника заломлення, додатково потрібно визначити температуру кипіння, густину тощо. Потім знайдені величини порівнюються з табличними і природа речовини таким чином встановлюється.

Рефрактометричний аналіз має не тільки прикладне значення, але є найважливішим інструментом наукового дослідження і широко застосовується, наприклад, при визначенні будови органічних і неорганічних сполук, дослідженні розчинів тощо.

Промінь світла, проходячи з одного прозорого середовища в друге під кутом до поверхні розділу фаз, змінює свій початковий напрям, тобто заломлюється. Заломлення світла (рефракція), обумовлена різною швидкістю поширення світла в різних середовищах. Відношення синуса кута падіння (1) до синуса кута заломлення (2) дорівнює відношенню швидкості поширення світла в середовищі (1) (v₁) до швидкості поширення світла в середовищі (2) (v₂) і є величиною сталою для даних двох середовищ:

Ця константа позначається символом n, і носить назву показника заломлення середовища (2) по відношенню до середовища (1). Прийнято приводити величини показників заломлення по відношенню до повітря.

Показник заломлення залежить:

1. Від природи речовини;

2. Від температури; при пониженні температури показник заломлення збільшується (оскільки збільшується густина розчину), при підвищенні температури – зменшується.

Найчастіше показник заломлення визначають при 20^°С, якщо температура відрізняється від 20^°С, то вносять поправку за такою формулою:

n_t = n_20° + (20 – t) · 0,0002 ;

де t – температура, при якій проводиться вимірювання.

3. Від довжини хвилі світла. При точних вимірюваннях показник заломлення визначають, використовуючи монохроматичне світло натрієвої лампи.

4. В розчинах показник заломлення залежить також від концентрації.

У зв'язку з тим, що при певних умовах показник заломлення є величиною сталою для кожної речовини, рефрактометрія застосовується для підтвердження істинності і чистоти препаратів.

На залежності показника заломлення від концентрації розчину оснований рефрактометричний метод кількісного аналізу. Визначення показника проводять за допомогою приладів, які називаються рефрактометрами. Основними частинами рефрактометра є дві призми, між якими поміщають шар досліджуваної рідини; окуляр і шкала з поділками для відліку.

Пучок світла проходить через призму і, заломившись у шарі досліджуваної рідини, зазнає повного внутрішнього відбиття від поверхні другої призми. Лінія, що відмежовує область повного внутрішнього відбиття, представляє собою границю світла й тіні, і спостерігається через окуляр рефрактометра.

Відлік проводять з точністю до четвертого знаку після коми. Спостереження і відлік проводять, повторюючи ще 2-3 рази. Після цього знов наносять 2-3 краплі досліджуваної речовини і повторяють вимірювання. Середнє значення від отриманих даних відліків дає величину показника заломлення досліджуваної рідини. Різниця між результатами окремих відліків не повинна перевищувати 3 одиниць в четвертому знаку.

Залежність показника заломлення розчинів від концентрації встановлюється емпірично для кожної окремої речовини.

При кількісному рефрактометричному аналізі концентрацію визначають за графіком залежності показника заломлення від концентрації розчину або за такою формулою:

де х – концентрація розчину;

n – показник заломлення розчину;

n_о – показник заломлення розчинника при тій же температурі;

F – фактор, рівний величині приросту показника заломлення при збільшенні концентрації на 1% (встановлюється експериментально).