3.10. Рефрактометрія

Рефрактометрія (від лат. refractus – переломлений і грец. metreo - вимірюю) – метод аналізу, заснований на явищі заломлення світла при проходженні з одного середовища в інше. Заломлення світла, тобто зміна його первісного напрямку, обумовлена різною швидкістю розподілу світла в різних середовищах. При цьому відношення синуса кута падіння променя (α) до синуса кута заломлення (β) для двох дотичних середовищ є величина постійна, та називається показником заломлення (n).

Показник заломлення також дорівнює відношенню швидкостей поширення світла в цих середовищах:

sin α V₁

n = ------- = ---- (3.14)

sin β V₂

Визначають так званий відносний показник заломлення речовини стосовно повітря приміщення, де проводиться вимірювання.

Показник заломлення n, являє собою відношення швидкостей світла в середовищах, що межують. Для рідин і твердих тіл n звичайно визначають щодо повітря, а для газів – щодо вакууму.

Залежність показника заломлення водяних розчинів деяких речовин від концентрації показано на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Залежність показника заломлення від природи речовини

Величина показника заломлення залежить від природи речовини, довжини хвилі світла, температури, при якій проводиться вимірювання і концентрації речовини в розчині. Вимірювання показника заломлення проводиться при довжині хвилі світла 589,3 нм (лінія D спектра натрію). Обов'язковою умовою визначення показника заломлення є дотримання температурного режиму. Звичайне визначення виконується при 20 ± 0,3⁰С. При підвищенні температури величина показника заломлення зменшується, при зниженні – збільшується.

Вплив температури на показник заломлення визначається двома факторами: зміною кількості часток рідини в одиниці об'єму та залежністю поляризованості молекул від температури. Другий фактор стає істотним лише при дуже великій зміні температури.

Температурний коефіцієнт показника заломлення пропорційний температурному коефіцієнту щільності. Оскільки всі рідини при нагріванні розширюються, то їх показники заломлення зменшуються при підвищенні температури. Температурний коефіцієнт залежить від величини температури рідини, але в невеликих температурних інтервалах може вважатися постійним.

Найпоширеніші рефрактометри Аббе із призменними блоками та компенсаторами дисперсії, що дозволяють визначати n_D в "білому" світлі за шкалою або цифровим індикатором. В основу принципу дії цих приладів покладене явище повного внутрішнього відбиття при проходженні світлом межі розподілу двох середовищ із різними показниками заломлення.

Застосування. Рефрактометрія є одним із розповсюджених методів ідентифікації хімічних сполук, кількісного та структурного аналізу, визначення фізико-хімічних параметрів речовин.

У харчовій промисловості рефрактометри застосовуються для вимірювання вмісту спирту в алкогольних продуктах, встановлення якості харчових продуктів. У фармацевтичному аналізі метод широко використовується для кількісного визначення речовин у розчині.

Автоматичні рефрактометри з мікропроцесорним керуванням призначені для дослідження концентрації широкого діапазону рідких середовищ як низької, так і високої в'язкості, незалежно від прозорості та кольору, застосовують для керування і регулювання промислових установок з рідкими матеріалами однорідного хімічного складу де потрібне досягнення певної концентрації або щільності рідини. При цьому рефрактометри безпосередньо вбудовуються в потік продукції або в лінію потоку. Оскільки рефрактометри чутливі до температури, а температура потоку продукції звичайно змінюється, вимірюють поточну дійсну температуру на місці установки приладу та корегують результати вимірювання автоматично. Промислові рефрактометричні установки успішно застосовують на цукрових і великих пивоварних заводах, у виробництві згущеного молока та маргарину.

Застосовуються також на цукрових і хлібних заводах, кондитерських фабриках для аналізу продуктів і сировини, напівфабрикатів, кулінарних і борошняних виробів, визначення вологість меду (до 20 %), для визначення частки сухих речовин у суслах, цукрово-агаровому сиропі, для визначення масової частки розчинних сухих речовин за сахарозою, в продуктах переробки плодів і овочів, для визначення відсоткового вмісту жиру у твердих продуктах харчування (пряники, вафлі або хлібобулочні вироби), концентрації солей.

Робота рефрактометричного детектора третього типу заснована на інтерферометричному принципі зсуву. Промені світла від джерела видимої області спектра розділяються дільником на дві частини, фокусуються лінзою і проходять через робочу та порівняльну комірку об'ємом 5 мкл. Промені світла потім поєднуються за допомогою іншої лінзи та дільника і потрапляють на чутливий елемент.

Відмінність показників заломлення робочого та порівняльного потоку елюента призводить до різниці в довжині оптичного шляху, яка вимірюється інтерферометричним детектором як зміна довжин хвиль світла. При оптимальних робочих умовах можливо детектування близько 3 мкг/ моль розчиненої речовини.