Исследование показателя преломления жидкости от концентрации вещества в растворе. От чего зависит показатель преломления вещества Зависимость показателя преломления вещества

Любое стекло характеризуется тремя видами параметров:

Оптические

Механические

Химические

Температурные

ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Показатель преломления

Показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале. Показатель преломления рассчитывается по следующим дисперсионным формулам :

Формула Герцбергера (The Herzberger formula)
, где

Формула Зелмейера (The Sellmeier formula)

Формула Конради (The Conrady formula)

Формула Шотта (The Schott formula)

Формула Резника
,где
, , , , , ,
, ,

Дисперсия

Зависимость показателя преломления от длины волны называется дисперсией показателя преломления . Численно дисперсия характеризуется несколькими величинами.

Основной коэффициент дисперсии (число Аббе) - , где и - показатели преломления для длин волн, ограничивающих какой-либо диапазон спектра, а - показатель преломления для длины волны, расположенной внутри диапазона.

Основная средняя дисперсия определяется выражением , где и показатели преломления для длин волн, ограничивающих некоторую часть спектра.

Относительная частная дисперсия это отношение основных средних дисперсий для разных частей спектра. Характеризует степень изменения дисперсионных свойств вещества по спектру. , где и основные средние дисперсии для частей спектра ограниченных соответственно длинами волн x, y и z, k.

Все дисперсионные характеристики рассчитываются по дисперсионным формулам .

Коэффициент пропускания

Спектральным внутренним коэффициентом пропускания (коэффициент пропускания) называется отношение светового потока, прошедшего через материал, к падающему потоку .

Падающий поток должен быть монохроматическим, параллельным и направленным перпендикулярно к плоскопараллельной пластинке изотропного, однородного, не люминесцентного, не фотохромного материала.

Цветовой код

Цветовой код описывает границу пропускания стекла в видимой части спектра. Эта характеристика задаёт две длины волны и , на которых коэффициент пропускания составляет 0.8 и 0.05 соответственно.

Показатель ослабления

Показатель ослабления - это величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения ослабляется в результате поглощения и рассеивания в стекле в 10 (или e) раз. , где - показатель ослабления, - коэффициент пропускания, - толщина слоя материала.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Плотность

Плотностью называется масса единицы объёма .
содержание

Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) - отношение относительного поперечного сужения (расширения) к относительному продольному удлинению (сжатию) , т. е. .

Для аморфных тел коэффициент Пуассона одинаков во всех направлениях, для кристаллических - зависит от направления приложенной силы.

Модуль Юнга

Модуль Юнга определяется как отношение напряжения к внутренней деформации, т. е. , где - сила на единицу площади, перпендикулярно которой она приложена.

Для аморфных тел модуль Юнга одинаков во всех направлениях, однако в случае кристаллов значение зависит от направления, в котором приложена сила.

Модуль сдвига

Модуль сдвига связывает модуль Юнга и коэффициент Пуассона по следующей формуле:
.

Истираемость

Под истираемостью понимается относительная твердость по сошлифовыванию, которая определяется как отношение объема сошлифованного свободным абразивом эталонного стекла к объему стекла тестируемого стекла, сошлифованному в тех же условиях.

Значение служит также технологическим критерием скорости износа стекла при шлифовании.

Оптический коэффициент напряжения

Оптический коэффициент напряжения определяет разность оптического хода поляризованных лучей в стекле и характеризует двойное лучепреломление, возникающее при напряжении.

При возникновении упругих деформаций в стекле проявляются фотоупругие свойства. Стекло становится веществом анизотропным, что приводит к появлению двойного лучепреломления: луч света, проходящий через стекло, поляризуется и разлагается на два луча - обыкновенный и необыкновенный, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Это явление, специфичное для прозрачных материалов, называют фотоупругостью .

Показатели преломления стекла для поляризованных лучей отличаются от показателей преломления стекла в ненапряженном состоянии. Фотоупругость стекла характеризуется фотоупругими постоянными и , выражающими приращение значения показателя преломления стекла для лучей света, поляризованных в направлениях, параллельном и перпендикулярном действию напряжения, а также оптическим коэффициентом напряжения .

После снятия напряжения стекло становится изотропным материалом.

Твёрдость

Твердость является мерой сопротивления остаточной деформации или разрушению.

Существует несколько методов определения твердости. Наиболее распространенный метод определения твердости заключается в измерении сопротивления изучаемого материала проникновению шарика или пуансона (индентора) установленной формы из соответствующего материала. Величина твердости определяется усилием, приложенным к единице площади поверхности в месте контакта пуансона (индентора) с исследуемым веществом и имеет размерность (твердость по Кнупу, Бринеллю, Викерсу ). Стандартом на определение твёрдости по Кнупу является документ ISO 9385.

При другом определении твердости используется способность вещества подвергаться царапанью другим веществом. Классификация ведётся в цифровой шкале от 1 до 10, причем эти две цифры соответствуют твердости талька и твердости алмаза. Эти числа определяют твердость по Моосу .

ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Химические характеристики российского ГОСТ

В российском ГОСТ установлено два показателя химической устойчивости стекла: устойчивость полированной поверхности детали к воздействию влажной атмосферы (климатическая устойчивость ) без конденсации паров (~75 % относительной влажности) и устойчивость к действию пятнающих агентов (пятнаемость ) - нейтральной воде, слабокислым и щелочным водным растворам.

По устойчивости к действию влажной атмосферы силикатные оптические стекла делятся на группы:
А - неналётоопасные,
Б - промежуточные,
В - налетоопасные.

Большинство оптических стекол относятся к группе А. Оптические детали из налетоопасных стекол сразу же после обработки покрывают защитными пленками.

По устойчивости к действию пятнающих агентов оптические стекла делят на следующие группы:
I - непятнающиеся,
II - средней пятнаемости,
III - пятнающиеся,
IV - нестойкие стекла, требующие обязательного применения защитных покрытий.

Климатическая устойчивость

Климатическая устойчивость - это степень влияния на стекло водных паров атмосферы. Это влияние, особенно при высокий температурах, приводит к появлению мутной плёнки на поверхности материала. Химическая реакция возникает в результате реакции нейтральной воды, содержащейся в атмосфере co стеклом.

Группа устойчивости	1	2	3	4
Изменение коэф. пропускания	< 0,3%	>= 0,3% < 1%	>= 1% < 2%	>= 2%

Устойчивость к кислоте

В результате взаимодействия кислотной среды с поверхностью стекла на стекле образуются пятна и области с разрушенным поверхностным слоем. Кислотная устойчивость определяет степень влияния кислотной среды на стекло.

Устойчивость к щёлочи

Устойчивость к щёлочи определяет степень влияния щелочных растворов на стекло.

Стандартный метод определения устойчивости к щёлочи описывается в документе ISO 10629.

Фосфатная устойчивость

Водные растворы, используемые для очистки оптических стёкол, обычно содержат примеси, в том числе и полифосфаты. Фосфатная устойчивость позволяет определить устойчивость оптических стёкол к таким жидкостям.

Пятнаемость

В результате воздействий на поверхность стекла слабо кислотных растворов (дыхание, испарина) происходит процесс "вымывания" некоторых веществ, приводящий к образованию интерференционных цветных пятен на поверхности. Устойчивость стекла к такого рода влияниям характеризуется пятнаемостью .

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Температурное изменение показателя преломления

Показатель преломления зависит не только от длины волны излучения, но также и от температуры.

Отношение изменения показателя преломления к изменению температуры называется температурным коэффициентом показателя преломления . Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Относительный температурный коэффициент показателя преломления измеряется при определённом давлении воздуха, абсолютный - в вакууме.

Температурный коэффициент линейного расширения

Международный стандарт: ISO 7991.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) характеризует относительное удлинение образца стекла при нагревании его на 1 градус: . Значение ТКЛР изменяется в зависимости от диапазона температуры, в котором он измеряется

Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) - nD20. Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).

В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)

где n, n1 ,n2 - показатели преломления смеси и компонентов,

V1 и V2 - объемные доли компонентов (V1 + V2 = 1).

Для рефрактометрического анализа растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этанола и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.

Рис. 2.

Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от -0,0004 до -0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (-0,0001), глицерин (-0,0002), гликоль (-0,00026).

Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 - 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: nt=n0+at+bt2+…

Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48 ?10-5, для спирта 3,95 ?10-5, для бензола 4,8 ?10-5. То есть изменение температуры на 1°С влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Одним из результатов взаимодействия света с веществом является его дисперсия.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты .

Дисперсия света представляется в виде зависимости:

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму (рис. 10.1). Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г. И. Ньютон. Он объяснил это явление различием масс корпускул.

Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом А и показателем преломления n (рис. 10.2) под углом .


Рис. 10.1	Рис. 10.2

После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается преломлен от первоначального направления на угол φ. Из рис. следует, что

Предположим, что углы А и малы, тогда углы , , будут также малы и вместо синусов этих углов можно воспользоваться их значениями. Поэтому , , а т.к. , то или .

Отсюда следует, что

(10.1.1)

т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы .

Из выражения (10.1.1) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит от показателя преломления n , а n – функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы . Пучок белого света за призмой разлагается в спектр, который называется дисперсионным или призматическим , что и наблюдал Ньютон. Таким образом, с помощью призмы, так же как с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

Рассмотрим различия в дифракционном и призматическом спектрах.

· Дифракционная решетка разлагает свет непосредственно по длинам волн , поэтому по измеренным углам (по направлениям соответствующих максимумов) можно вычислить длину волны (частоты). Разложение света в спектр в призме происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определения частоты или длины волны света надо знать зависимость или .

· Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно . Мы знаем, что синус угла в дифракционной решетке пропорционален длине волны . Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее . Призма же разлагает лучи света в спектре по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ с увеличением длины волны (т.е. с уменьшением частоты) уменьшается (рис. 10.3).

Поэтому, красные лучи отклоняются призмой слабее, в отличие от дифракционной решетки.

Величина (или ), называемая дисперсией вещества , показывает, как быстро меняется показатель преломления с длиной волны .

Из рис. 10.3 следует, что показатель преломления для прозрачных веществ с увеличением длины волны увеличивается, следовательно величина по модулю также увеличивается с уменьшением λ.Такая дисперсия называется нормальной . Вблизи линий и полос поглощения, ход кривой дисперсии будет иным, а именно n уменьшается с уменьшением λ. Такой ход зависимости n от λ называется аномальной дисперсией . Рассмотрим подробнее эти виды дисперсии.

Зависимость показателя преломления от температуры. Зависимость показателя преломления от концентрации Рефрактометры

из "Техника лабораторных работ "

Показателем преломления п также называют отношение скорости распространения света в воздухе к скорости распространения света в испытуемом веществе (растворе). Это важная константа, позволяющая уточнить химическую природу вещества, определить степень его чистоты, а также определить концентрацию растворов.
Рефрактометрия - это совокупность методов физико-химического исследования жидкостей, минералов и растворов, основанных на измерении их показателей преломления. Основными достоинствами рефрактометрии являются быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность (около 0,01%).
Приборы, служащие для измерения показателя преломления, называются рефрактометрами.
Так как sin 90° = 1, то /г1 = П2 31Пф. Если показатель преломления одной среды 2 известен, то достаточно измерить предельный угол ф, чтобы определить показатель преломления анализи-РЗ емой среды п.
Важной деталью рефрактометров, основанных на определении предельного угла, является измерительная призма из оптического стекла с точно известным показателем преломления. Поэтому каждый рефрактометр пригоден для измерения показателей преломления только в определенном диапазоне их значений.
При рассматривании вышедших из измерительной призмы лучей, близких к предельному, поле зрения трубы оказывается разделенным на освещенную и темные части, граница между которыми соответствует предельному лучу.
Показатель преломления зависит от длины волны излучения. Лучи разных длин волн преломляются по-разному. Зависимость показателя преломления света в веществе от длины волны света называют дисперсией света или рефракционной дисперсией.
В качестве меры дисперсии принята разность показателей преломления для спектральных линий водорода С (656,3 нм) и F (486,1 нм), охватывающих среднюю часть видимого спектра, называемая средней дисперсией пр - Пс).
Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами изменением числа частиц вещества в единице объема и зависимостью поляризуемости от температуры.
Для большей части жидкостей показатель преломления уменьшается примерно на 0,00015 при увеличении температуры на 1 °С. Поэтому, чтобы можно было делать измерения с точностью до четвертого десятичного знака, жидкие образцы необходимо термо-статировать с точностью 0,2 °С. Показателю преломления придают два индекса верхний, обозначающий температуру, и нижний- длину волны. Например, означает, что измерение выполнено при 20 °С и длине волны желтой линии D спектра натрия (589,3 нм).
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.
Если разница в показателях преломления составляющих раствор компонентов равна примерно 0,1, то точность определения концентрации может составить сотые доли процента.
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.
В МОЛОЧНЫХ Продуктах с высоким (до 38%) содержанием сухого вещества.
Предел допускаемой погрешности измерений по шкале По 0,0001, по другим шкалам 0,1 %.
На рис. 188 приведена оптическая схема рефрактометра. Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм - осветительной 4 и измерительной 5. От источника света 1 кон-денсорами 2, 3 луч света направляется на входную грань осветительной призмы, затем проходит тонкий слой исследуемого вещества и плоскости измерительной призмы.
предельные и преломленные под различными углами и вышедшие затем из измерительной призмы через вторую ее грань, пройдя через призмы дисперсионного компенсатора 6 и преломляющую призму 7, фокусируются объективом S зрительной трубы в ее поле зрения, образуя светлую и темную части поля, разделенные прямой границей. Грань осветительной призмы матирована, рассеянный на ней свет переходит в жидкость под всевозможными углами (от О до 90°). Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления материала призмы, то лучи пре ломляются под углами от нуля до предельного. В окуляре зри тельной трубы 11 при этом наблюдается граница света и тени перекрестие сетки 9 и шкала 10. Положение этой границы свето тени зависит от величины предельного угла преломления ф, кото рый в свою очередь зависит от показателя преломления испытуе мой жидкости. Это дает возможность проградуировать шкал рефрактометра по показателям преломления или, соответственно по концентрации раствора.
Отсчет по шкале производится после устранения спектральной окраски границы светотени в положении пересечения границей светотени центра перекрытия сетки.
Конструктивно рефрактометр УРЛ (рис. 189) состоит из двух основных частей верхней - корпуса 1 и нижней - основания. К корпусу крепятся камеры верхняя и нижняя. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жестко закреплена на корпусе верхняя камера, заключающая в себе осветительную призму б, соединена шарниром с нижней и может поворачиваться относительно нее.

К ЛЕКЦИИ №24

«ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА»

РЕФРАКТОМЕТРИЯ.

Литература:

1. В.Д. Пономарёв «Аналитическая химия» 1983год 246-251

2. А.А. Ищенко «Аналитическая химия» 2004 год стр 181-184

РЕФРАКТОМЕТРИЯ.

Рефрактометрия является одним их самых простых физических методов анализа с затратой минимального количества анализируемого вещества и проводится за очень короткое время.

Рефрактометрия - метод, основанный на явлении преломления или рефракции т.е. изменении направления распространения света при переходе из одной среды в другую.

Преломление, так же как и поглощение света, является следствием взаимодействия его со средой. Слово рефрактометрия означает измерение преломления света, которое оценивается по величине показателя преломления.

Величина показателя преломления n зависит

1)от состава веществ и систем,

2) от того, в какой концентрации и какие молекулы встречает световой луч на своем пути, т.к. под действием света молекулы разных веществ поляризуются по-разному. Именно на этой зависимости и основан рефрактометрический метод.

Метод этот обладает целым рядом преимуществ, в результате чего он нашел широкое применение как в химических исследованиях, так и при контроле технологических процессов.

1)Измерение показатели преломления являются весьма простым процессом, который осуществляется точно и при минимальных затратах времени и количества вещества.

2) Обычно рефрактометры обеспечивают точность до 10% при определении показателя преломления света и содержания анализируемого вещества

Метод рефрактометрии применяют для контроля подлинности и чистоты, для идентификации индивидуальных веществ, для определения строения органических и неорганических соединений при изучении растворов. Рефрактометрия находит применение для определения состава двухкомпонентных растворов и для тройных систем.

Физические основы метода

ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.

Отклонение светового луча от первоначального направления при переходе его из одной среды в другую тем больше, чем больше разница в скоростях распространения света в двух

данных средах.

Рассмотрим преломление светового луча на границе каких-либо двух прозрачных сред I и II(См. Рис.). Условимся, что среда II обладает большей преломляющей способностью и, следовательно, n 1 и n 2 - показывает преломление соответствующих сред. Если среда I -это не вакуум и не воздух, то отношение sin угла падения светового луча к sin угла преломления даст величину относительного показателя преломления n отн. Величина n отн. может быть так же определена как отношение показателей преломления рассматриваемых сред.

n отн. = ----- = ---

Величина показателя преломления зависит от

1) природы веществ

Природу вещества в данном случае определяет степень деформируемости его молекул под действием света - степень поляризуемости. Чем интенсивней поляризуемость, тем сильнее преломление света.

2)длины волны падающего света

Измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия).

Зависимость показателя преломления от длины световой волны называется дисперсией. Чем меньше длина волны, тем значительнее преломление . Поэтому, лучи разных длин волн преломляются по-разному.

3)температуры , при которой проводится измерение. Обязательным условием определения показателя преломления является соблюдение температурного режима. Обычно определение выполняется при 20±0,3 0 С.

При повышении температуры величина показателя преломления уменьшается, при понижении - увеличивается .

Поправку на влияние температуры рассчитывают по следующей формуле:

n t =n 20 + (20-t) ·0,0002, где

n t – показатель преломления при данной температуре,

n 20 -показатель преломления при 20 0 С

Влияние температуры на значения показателей преломления газов и жидких тел связано с величинами их коэффициентов объемного расширения. Объем всех газов и жидких тел при нагревании увеличивается, плотность уменьшается и,следовательно, уменьшается показатель

Показатель преломления, измеренный при 20 0 С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом n D 20

Зависимость показателя преломления гомогенной двухкомпонентной системы от ее состояния устанавливается экспериментально, путем определения показателя преломления для ряда стандартных систем(например,растворов), содержание компонентов в которых известно.

4)концентрации вещества в растворе.

Для многих водных растворов веществ показатели преломления при разных концентрациях и температурах надежно измерены, и в этих случаях можно пользоваться справочными рефрактометрическими таблицами . Практика показывает, что при содержании растворенного вещества, не превышающем 10-20%, наряду с графическим методом в очень многих случаях можно пользоваться линейным уравнением типа:

n=n о +FC,

n- показатель преломления раствора,

nо - показатель преломления чистого растворителя,

C - концентрация растворенного вещества,%

F -эмпирический коэффициент, величина которого найдена

путем определения коэффициентов преломления растворов известной концентрации.

РЕФРАКТОМЕТРЫ.

Рефрактометрами называют приборы, служащие для измерения величины показателя преломления. Существует 2 вида этих приборов: рефрактометр типа Аббе и типа Пульфриха. И в тех и в др. измерения основаны на определении величины предельного угла преломления. На практике применяются рефрактометры различных систем: лабораторный-РЛ, универсальный РЛУ и др.

Показатель преломления дистиллированной воды n 0 =1,33299, практически же этот показатель принимает в качестве отсчетного как n 0 =1,333.

Принцип работы на рефрактометрах основан на определении показателя преломления методом предельного угла (угол полного отражения света).