1.6. Другие оптические методы

В современных аналитических лабораториях широко распростра-нены рефрактометрия и поляриметрия, относящиеся к физическим методам количественного анализа. Их часто рассматривают в курсе физико-химических методов анализа.

1.6.1. Поляриметрический анализ

Поляриметрический анализ основан на измерении угла вращения плоскополяризованного света при его прохождении через исследуемый раствор. Метод применим только при анализе растворов оптически активных соединений (например, при определении концентрации раствора сахарозы).

Угол вращения плоскости поляризованного света β является линейной функцией концентрации оптически активного вещества в растворе:

β = α ∙ l ∙ C,

где α – удельное вращение; l – толщина слоя раствора; С – концентрация. Удельное вращение плоскости поляризованного света зависит от длины волны, температуры и природы оптически активного вещества. Следовательно, первые два параметра в условиях количественных измерений должны быть постоянными. Количественный анализ одного оптически активного вещества проводят методом градуировочного графика. Смесь оптически активных соединений можно анализировать спектрополяриметрически – путем измерения β при различных значениях λ.

1.6.2. Рефрактометрический анализ

Определение коэффициента преломления (n) раствора позволяет при соблюдении ряда условий осуществлять количественный анализ.

Используют два подхода к определению n. Согласно рис. 1.23а

,

для полного внутреннего отражения (рис. 1.23б)

.

Рис. 1.23. Методы определения коэффициента преломления:

а – по углам падения и преломления;

б – по углу полного внутреннего отражения

Приведенные выше формулы позволяют рассчитать относительное значение коэффициента преломления. Абсолютные значения соответствуют преломлению и отражению на границе раздела «исследуемое вещество – вакуум». Коэффициент преломления в бинарном растворе является линейной функцией концентрации компонента. На величину n оказывают влияние природа вещества (поляризуемость молекул), длина волны и температура. При точных измерениях необходимо термостатирование исследуемого раствора.

В общем случае для количественного анализа двухкомпонентных растворов используют метод градуировочной зависимости.

Коэффициент преломления – аддитивная величина. Наблюдаемое значение равно сумме коэффициентов преломления компонентов с учетом их долевого содержания. Анализ трехкомпонентных растворов возможен при одновременном измерении еще одного физического параметра системы (чаще всего – плотности). При этом необходимо иметь заранее построенную градуировочную зависимость в виде изолиний коэффициента преломления и плотности раствора на треугольной диаграмме трехкомпонентной системы.

Определение содержания ацетона в водном растворе (работа № 9)

Цель работы: изучение основ рефрактометрического анализа; количественное определение ацетона в водном растворе.

Сущность метода. Для системы «ацетон – вода» анализ проводят методом градуировочной зависимости (рис. 1.24).

Измерение коэффициента преломления раствора проводят при помощи рефрактометра. Схема используемого в данной работе рефракто-метра Аббе приведена на рис. 1.25.

Рис. 1.24. Градуировочный график рефрактометрического анализа

Оборудование: 1) рефрактометр ИРФ-22; 2) колбы мерные на 25 см³ – 8 шт.; 3) градуированная пипетка на 2 см³ – 1 шт.; 4) фильтровальная бумага.

Реактивы: 1) ацетон; 2) вода дистиллированная.

Рис. 1.25. Оптическая схема рефрактометра Аббе (ИРФ-22):

1 – осветительное зеркало; 2 – вспомогательная откидная призма; 3 – основная измерительная призма; 4 – матовая грань откидной призмы; 5 – исследуемая жидкость; 6 – призма Амичи компенсатора; 7 – объектив зрительной трубы; 8 – поворотная призма;

9 – окуляр зрительной трубы

Ход работы. Градуировочная зависимость строится по растворам ацетона в воде известной концентрации. Для этого в колбах на 25 см³ готовят серию растворов с объемной долей ацетона 0; 5; 10; 15; 20; 25 и 30 %. Общий объем растворов 25 см³. Следовательно, для приготовления, например, 10%-го раствора необходимо в колбу на 25 см³ отмерить пипеткой 2,5 см³ ацетона и довести до метки водой.

Рассчитав необходимые объемы ацетона и воды, готовят указанные растворы и измеряют коэффициент преломления n с помощью рефрактометра.

Порядок проведения измерений на рефрактометре ИРФ-22. Поднять измерительную призму. На нижнюю осветительную призму нанести 1 – 2 капли дистиллированной воды. Опустить измерительную призму. Включить лампу. Направить пучок света на место совмещения призм. Окуляр переместить на участок шкалы, соответствующий n = 1,3333. Совместить линию окуляра с границей светлого и темного полей. При отсутствии четкой границы добиться контрастности поворотом осветителя и вращением окуляра. Экспериментальное значение n для чистой воды соответствует показанию шкалы строго напротив черты, нанесенной на стекле окуляра.

Аналогичным образом определяют n для всех эталонных растворов. После каждого измерения призмы необходимо осушить фильтровальной бумагой.

Результаты измерений заносят в таблицу, по данным которой строят градуировочный график, который имеет вид, представленный на рис. 1.24.

Определение коэффициента преломления для задачи проводят таким же образом, как и при построении градуировочного графика.

Контрольные вопросы

1. Рефракция света. Аддитивность рефракции. Коэффициент рефрак-ции. Дисперсия. Влияние температуры на коэффициенты рефракции.

2. Устройство рефктометра Аббе.

3. Области применения рефрактометрии.

4. Количественный анализ растворов методом рефрактометрии. При-менимость методов сравнения и градуировочного графика.

5. Достоинства и ограничения рефрактометрического метода анализа.