6.1. Измерение показателя преломления

Показатель преломления может быть измерен путем определения предельного угла преломления или угла полного внутреннего отражения. Этот принцип лежит в основе конструкций большинства рефрактометров. Показатель преломления может быть также определен по смещению интерференционных полос при введении в один из интерферирующих пучков вещества с определенным показателем преломления. Оба метода применимы для определения показателя преломления прозрачных и слабо поглощающих сред.

Измерение показателя преломления методом определения предельного угла обычно производится при помощи рефрактометров Пульфриха и Аббе. К первому типу рефрактометров относится выпускаемый в нашей стране рефрактометр ИРФ-23.

В рефрактометрах Аббе (рис. 6.1) главным узлом является разъемный блок, состоящий из двух призм 1 и 2, между которыми помещается слой анализируемой жидкости 3. Луч света проходит через осветительную призму 2, попадает в раствор и на границе между раствором и гранью верхней измерительной призмы преломляется. Преломленный луч поступает в зрительную трубу, в которой находятся система линз и компенсатор 4 (призма Амичи, склеенная из трех призм разных сортов стекла и компенсирующая светорассеяние). По оптической оси зрительной трубы на линзу окуляра нанесено перекрестие 6, с которым совмещается граница света и тени (предельный луч). Совмещение оптической оси с предельным лучом производится либо поворотом блока, либо поворотом зрительной трубы вокруг оси призмы с помощью маховичка. С поворачиваемым блоком связано отсчетное устройство (шкала) 5 рефрактометра.

В рефрактометрах Пульфриха (рис. 6.2) преломляющий блок состоит из измерительной призмы 1 с наклеенным на ее грань цилиндрическим стаканчиком, в который помещается исследуемая жидкость. Луч света 2 направляется вдоль поверхности раздела жидкости и призмы и преломляется. Предельный угол преломления определяется по границе между светом и тенью с помощью вращаемой зрительной трубы с визиром 4, совмещаемым с границей света и тени. Показания рефрактометра перессчитывают в угол преломления с помощью специальных таблиц, прилагаемых к прибору.

В промышленности чаще применяются менее точные рефрактометры Аббе (n определяется с четырьмя десятичными знаками), работающие с обычным белым светом. В них хроматическое светорассеяние (радужная расплывчатая граница между светом и тенью) уменьшается при помощи компенсатора (призмы Амичи). В рефрактометрах этого типа пределы измерений рассчитаны на работу с водными растворами (n_D = 1,3…2,1).

6.2. Измерения с помощью рефрактометров

Перед измерениями необходимо соединить резиновыми шлангами штуцеры камер с термостатирующей установкой (обычно ультратермостатом). Пропуская воду от ультратермостата в течение 10…15 мин, устанавливают постоянную температуру, которая контролируется термометром. Измерять показатель преломления и содержание сухих веществ рекомендуется при 20 °С (при этой температуре проводится градуировка шкалы). После этого проверяют правильность нулевой точки. Для этого две–три капли дистиллированной воды стеклянной палочкой, на конец которой надета резиновая трубка, наносят на нижнюю измерительную призму и закрывают верхней. Перемещая окуляр по вертикали относительно глаза оператора, добиваются того, чтобы была видна граница светотени, а перемещая окуляр по горизонтали (выдвигая и вдвигая его), – четкого изображения шкалы.

Окрашенность границы светотени, обусловленную дисперсией света, устраняют вращением призмы Амичи – поворотом винта дисперсионного компенсатора. Граница светотени должна точно проходить через нулевое деление шкалы. Если имеется отклонение, то отвинчивают пробку на корпусе прибора и при помощи специального ключа, вращая регулировочный винт, перемещают границу светотени до совмещения ее с нулевым делением шкалы.

При определении содержания сухих веществ вместо дистиллированной воды на нижнюю призму наносят исследуемый раствор; определение проводят так же, как и при проверке правильности нулевой точки.

Измерение при помощи рефрактометра проводят несколько раз (не менее трех) и за конечный результат принимают среднеарифметическую величину показателей.

Существует международная шкала показателей преломления растворов сахарозы при температуре 20 °С. Таблицы могут быть аппроксимированы следующими уравнениями:

= 8 · 10^–6 С + 0,0013 С_сах + 1,3335 (6.6)

или

С_сах = –941,6 ()² + 3161,8 () + 2977,6, (6.7)

где – показатель преломления сахарного раствора; С_сах – массовая доля сахара в растворе, %.

Уравнения (6.6) и (6.7) справедливы при = 1,333…1,5033 и С_сах = (0…85) %.

Измерения на рефрактометре можно проводить при температуре 10…30 °С. Если измерения проводились не при 20 °С, то показания пересчитывают, вводя соответствующую поправку на температуру, рассчитанную по следующей формуле:

ΔС_св = –1,0274 + 0,0438 t – 0,00644 С_п + 0,000452 t² + 0,000301 t С_п, (6.8)

где t – температура измерения; С_п – показатель прибора по содержанию сухих веществ.