XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Совокупность методов анализа и исследования вещества, основанная на измерениях его показателя преломления называется рефракцией. Преломление (рефракция) — изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Ее применяют:

• Для изучения кинетики химических реакций

• Для определения состава многокомпонентных смесей

• Для контроля качества промышленной и пищевой продукции

Рефрактометрия - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
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. 

Рассмотрим основные физические закономерности, лежащие в основе рефрактометрического метода.

Если луч света пересекает границу раздела двух прозрачных однородных сред 1и 2, то направление луча изменяется в соответствии с законом преломления, согласно которому, отношение синусов углов падения (i1) и преломления (i2) есть величина постоянная:

Константа n21 называется относительным показателем преломления второго вещества по отношению к первому. Показатель преломления вещества определяется его природой, но зависит также от внешних условий (главным образом от температуры) и от длины волны света.
Изменения плотности вещества всегда сопровождаются изменением его показателей преломления. Обычно при увеличении плотности увеличивается и показатель преломления. Существует прямо пропорциональная зависимость показателя преломления n от плотности d:

f(n)=rd
Постоянный коэффициент r, характерный для данного вещества, называют удельной рефракцией. Величина удельной рефракции не зависит от внешних условий и агрегатного состояния вещества. Удельную рефракцию можно вычислить, используя формулу Лоренц-Лорентца:

Молекулярной рефракцией R называется произведение удельной рефракции на молекулярный вес М:

R=rM
С учетом формулы Лорентц-Лоренца, получаем:

R=   ,

где

n- показатель преломления вещества;

M - молекулярная масса

α – плотность

Молекулярная рефракция является мерой поляризуемости молекул. В электромагнитном поле видимого света поляризуемость молекулы практически целиком обусловлена смещением электронов и равна сумме эффектов смещений отдельных электронов. Это означает, что величина молекулярной рефракции является аддитивной. Аддитивность мольной рефракции объясняется тем, что смещение электронов и электронных группировок атомов в молекуле мало зависит от того, в какие молекулы эти атомы входят. Под аддитивностью понимается вычисление любого свойства системы, состоящей из двух или более, компонентов, по сумме аналогичных свойств каждого из компонентов с учетом доли их участия в системе.

Аддитивность молекулярной рефракции органических соединений широко используется для определения их состава и строения.Аддитивность мольной рефракции объясняется тем, что смещение электронов и электронных группировок атомов в молекуле мало зависит от того, в какие молекулы эти атомы входят.

Мольные рефракции вычисляют по правилу аддитивности:

R=∑mRат+∑mRсв+∑mRц ,

Где m – чисто атомов, связей, циклов.

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)

n=n₁V₁+n₂V₂ ,

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

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

Для рефрактометрии 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.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. В настоящей работе применяется рефрактометр, принцип действия которого основан на явлениях, происходящих при прохождении света через границу раздела двух сред с разными показателями преломления (рефрактометр Аббе). В рефрактометрах этого типа исследуемая среда (обычно жидкость) помещается в зазоре (около 0,1 мм) между гранями двух стеклянных прямоугольных призм. При измерениях используется два метода: метод скользящего луча и метод полного отражения

Его действие основано на измерении угла  полного внутреннего отражения  в случае непрозрачной исследуемой среды или предельного угла преломления  на плоской границе раздела прозрачных сред (исследуемой и известной) при распространении света из среды с меньшим показателем преломления n1 в среду с большим показателем – n2.

Рефрактометр Аббе состоит из двух стеклянных прямоугольных призм - измерительной призмы с высоким показателем преломления n2=1,7, с полированной гипотенузной гранью, вспомогательной откидной призмы с матированной гипотенузной гранью, зрительной трубы, отсчётной шкалы, специального компенсатора. В поле зрения трубы наблюдается резкая линия раздела светлого и тёмного полей, соответствующая предельному углу.

При измерении прозрачных жидких сред свет на границу раздела сред направляется через малый катет вспомогательной призмы (измерение в проходящем свете), а в случае непрозрачных сред освещается матовая грань измерительной призмы - ее большой катет (измерение в отражённом свете). При совмещении линии раздела светлого и тёмного полей с перекрестием нитей в поле зрения трубы по шкале непосредственно отсчитывается величина n. Компенсатор, состоящий из двух дисперсионных призм прямого зрения (призм Амичи) , позволяет вращением призм в противоположные стороны компенсировать дисперсию измерительной призмы и образца и измерить величину  n2 при использовании источника белого света.

При частоте изменения поля выше 1013 с -1 наблюдается только электронная поляризация (Пэл).

Пэл=R

Экспериментальная часть

Мы поставили своей целью сравнить теоретический расчет рефракции сахарозы по правилу аддитивности и определенную с помощью рефрактометра экспериментально.

Для проведения эксперимента взяли две марки сгущенного молока :
«Коровка из Кореновки» и «Алексеевское» .Измерив коэффициенты преломления ,определили мольную рефракцию и рассчитали рефракцию сахарозы по аддитивности.

Расчет удельной рефракции по аддитивности :

R=∑mRат+∑mRсв+∑mRц ,

где m-число атомов ,связей и циклов.

R=12×2,418×10^-6 + 22×1,1×10^-6 + 11×1,525×10^-6+3×1,733×10^-6=(29,016+24,2+16,775+5,2)×10^-6= 75,2×10^-6(м³/моль)

измерив показатель преломления сгущенного молока трижды , (среднее значение, 1,594 –«Алексеевское» и 1,46-«Коровка из Кореновки».)Рассчитаем

мольную рефракцию сахарозы по формуле Лоренц-Лорентца

Мольная рефракция сахарозы в сгущенном молоке «Алексеевское» :

R= × = × =73,1(м³/моль)

Мольная рефракция сахарозы в сгущенном молоке «Коровка из Кореновки»:
R= × = × =58,96(м³/моль)

Вывод: по показателю преломления мы определили ,какое из двух марок сгущенного молока наиболее близко к значению нормального показателя аддитивности рефракции сахарозы, и пришли к выводу ,что сгущенное молоко «Алексеевское» не содержит других компонентов ,кроме сахара и молока , о чем свидетельствует полное совпадение теоретических и экспериментальных значений .

Список использованной литературы:

Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010.

Идентификация молока "Кубанская бурёнка" с целью выявления его фальсификации.Боровская Л.В., Шиян И.С.В сборнике: Студенческий научный форум - 2017 IX Международная студенческая электронная научная конференция. 2017

Экспертный метод определения комплексного показателя качества йогурта. Кузминчук В.С., Боровская Л.В.В сборнике: Студенческий научный форум - 2017 IX Международная студенческая электронная научная конференция. 2017.

Исследование студней на основе каррагинана и пектина методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Барашкина Е.В., Тамова М.Ю., Боровская Л.В., Миронова О.П известия высших учебных заведений. Пищевая технология .Издательство: Кубанский государственный технологический университет (Краснодар)

Применение PDM-технологий в управлении качеством пищевой продукции. Боровская Л.В., Молова О.Э.//В сборнике: Устойчивое развитие, экологически безопасные технологии и оборудование для переработки пищевого сельскохозяйственного сырья; импортоопережение Сборник материалов международной научно-практической конференции. 2016. 

Обеспечение безопасности производства пищевой продукции методом принятия решений. Боровская Л.В.В сборнике: ДАЛЬНЕВОСТОЧНАЯ ВЕСНА - 2016 Материалы 14-й Международной научно-практической конференции по проблемам экологии и безопасности. Ответственный редактор: И. П. Степанова. 2016. С. 257-259.

Код для цитирования: Скопировать