W 9 Refraktometria 2009 2010


Refraktometria i polarymetria
Refraktometria
Refraktometria jest metodą analityczną opartą na zjawisku załamania i
odbicia promieniowania EM na granicy faz dwóch różnych ośrodków.
Służy do wyznaczania (pomiaru) współczynnika załamania (n)
oraz wyznaczenia (obliczenia na podst  n ) wartości refrakcji właściwej (r),
molowej ( ) oraz dyspersji ( )
j (R) y p j (D).
1
Oddziaływania promieniowania z materią:
nieabsorpcyjne:
- rozpraszanie,
- załamanie,
- odbicie,
absorpcyjne
absorpcyjne
- pochłanianie
Teoria załamywania i odbijania światła
Promieniowanie EM indukuje w dodatnio i ujemnie naładowanych
cząstkach dielektryka moment dipolowy:
źind = ąE ą= polaryzowalność
Ponieważ E jest periodycznie zmienne - źind zmienia się z taką samą
częstotliwością.
Zmiana źind wywołuje w cząsteczce oscylacje ładunku- cząstki materii
stają się indukowanymi dipolami drgającymi z częstotliwością
padającego promieeniowania.
p ją g p
Jeżeli częstotliwość padającego promieniowania nie odpowiada różnicy
skwantowanych poziomów energet. cząstek - oscylujące dipole stają się
zródłem promieniowania wtórnego o częstotliwości () równej
częstotliwości promieniowania padającego.
Promieniowanie wtórne jest podstawą zjawisk załamania, odbicia i
rozproszenia
2
Załamanie na granicy faz
Prędkość światła (c) jest odwrotnie proporcjonalna do liczby atomów na
jednostkę drogi (gęstość optyczna).
Na granicy faz dwóch ośrodków o różnej gęstości optycznej światło zmienia
prędkość.
Zmiana prędkości wywołuje zmianę kierunku promieniowania.
Empiryczne prawa Snelliusa
1. Promień padający, załamany i odbity oraz normalna leżą w jednej
płaszczyznie.
2. Kąt padania równa się kątowi odbicia.
3. Stosunek sinusa kąta padania (ą) do sinusa kąta załamania () jest
wielkością stałą, nazywaną względnym współczynnikiem załamania
światła (n) ośrodka drugiego względem pierwszego.
v1 siną
n2/1= =
v2 sin
gdzie: v1 i v2 - prędkość światła w
ośrodkach materialnych
3
Odbicie na granicy faz
Odbicie możebyć:
lustrzane (zwierciadlane) - od powierzchni gładkich
rozproszone (dyfuzyjne) - od powierzchni matowych
Promień odbity różni się od padającego:
fazą,
polaryzacją,
barwą,
intensywnością.
i t ś i
Intensywność promieniowania odbitego zależy od:
kąta padania,
różnicy współczynników załamania dwóch ośrodków
Iodb (n2 - n1)2
Jeżeli ą =0, wtedy: odb = =
I0 (n2 + n1)2
4
Współczynnik załamania
Współczynnik załamania jest to wielkością stałą, charakterystyczną dla
danego ośrodka; mierzoną najczęściej w stosunku do powietrza (n 
względny współczynnik załamania światła), rzadziej w stosunku do
próżni (N  bezwzględny współczynnik załamania swiatła).
Oś d k
Ośrodek n
Próżnia 1
Powietrze H" 1 (0.03% mniej)
Woda H" 1.333
S kł 1 5
Szkło H" 1.5
Ciecze organiczne 1.3 - 1.7
Organiczne ciała stałe 1.3 - 2.5
Diament 2.5
Czynniki wpływające na współczynnik załamania
Rodzaj substancji
Długość fali
Temperatura
Ciśnienie
5
1. Rodzaj badanej substancji
Szybkość oddziaływania promieniowania EM zależy od oddziaływania z chmurą elektronową
materii - jest funkcją gęstości materii, ilości i stanu elektronów. Ściśle wiąże się ze stałą
dielektryczną materii.
Wzory Lorenza- Lorentza
n2 -1 1;
r = "
Refrakcja właściwa:
d
n2 + 2
R = ŁRa;
n2 -1
Refrakcja molowa:
3
R= "M = rM(cm3);
R = Ną;
d
n2 + 2
4
d- gęstość,  - liczba atomów i wiązań wielokrotnych,
M - ciężar cząsteczkowy, N - liczba Avogadro,
Ra - refrakcja atomowa, ą - śr. polaryzowalność atomu,
Wodróżnieniu od n, wartości r, Rsą niezależne od temperatury, ciśnienia, stanu
skupienia (mają istotny sens fizyczny).
2. Długość fali
Zależność współczynnika załamania od długość fali = dyspersja (dn/d  )
Poglądowy wykres dyspersji światła (dn/d  )
(taki wykres można wykreślić indywidualnie dla każdej substancji)
(taki wykres można wykreślić indywidualnie dla każdej substancji)
Dyspersja normalna - charakterystyczna dla rejonów, w których nie zachodzi
absorpcja; n wzrasta w miarę zmniejszania się  ( wzrostu
energii)
Dyspersja anomalna - charakterystyczna dla rejonów, w których zachodzi absorpcja;
n maleje w miarę zmniejszania się 
6
Dla badania współczynnika załamania wykorzystuje się przede
wszystkim rejon widzialny. Substancje badane muszą wykazywać
dyspersję normalną (nie mogą absorbować w rejonie UV-VIS - muszą
być bezbarwne).
n
VIS
1.7
n
1.6
szkło
2
1
1.5 kwarc
 nm
 nm
200 1000
200 1000 nm
3. Temperatura - dla każdej substancji można określić
współczynnik temperaturowy dn/dt.
Dla większości cieczy organicznych dn/dt H" - 4.5x 10-4
Dla większości szkieł H" +1.8 x 10-6
ę
4. Ciśnienie - dla cieczy i ciał stałych wzrost ciśnienia o 1 Atm
powoduje wzrost n o 3 x 10-5 (wpływ bardzo mały).
Znaczący wpływ ciśnienia - wyłącznie dla gazów.
N0 -1
P
N -1 = " ;
;
1 760
1+ ąt 760
gdzie: N  bezwzględny współcz. załamania gazu w t (oC) i ciśnieniu p,
No - bezwzględny współcz. załamania gazu w 0oCi ciśnieniu 760 mm Hg,
ą - współczynnik rozszerzalności termicznej
7
Długość fali prom EM i temperatura mogą znacznie
zmieniać współczynnik załamania światła
Pomiar  n przeprowadza się w warunkach
standardowych.
20
Zapis:
n
D
Dyspersja średnia i dyspersja właściwa
Właściwości charakterystyczne dla danej substancji:
Ds = nF - nc
nF - nc
Dw =
d
gdzie: Ds- dyspersja średnia (różnica współczynników załamania
dla dwóch różnych długości fali, Dw - dyspersja właściwa,
F i bi k li i H (486 1) li i H (656 3)
F - niebieska linia H (486.1), c - czerwona linia H (656.3),
d- gęstość
Ds- pozwala odróżnić 2 substancje o b. zblizonych  n
8
Załamanie i kąt graniczny (powtórka)
n
1
(ośrodek
odbicie
ą
optycznie
u1 > u2
rzadszy)
ą > 
n 2 ciemno

(ośrodek
n > 1
załamanie
optycznie
gęstszy)
jasno
Rys. Załamanie promienia przy przechodzeniu z ośrodka opt. rzadszego do gęstszego
ź1 siną
n = = ;
ź2 sin
jeżeli ą =90o, siną = 1 wtedy  = arcsin (kąt graniczny)
jasno
n
1
(ośrodek
optycznie
bardzo jasno
ą
u1 < u2 gęstszy)
ą <  n 2

2
(ośrodek 
optycznie
n < 1
rzadszy)
jasno
Rys. Załamanie promienia przy przechodzeniu z ośrodka opt. gęstszego do rzadszego
n
2
 = 90 sin  = 1 wtedy ą = arcsin
 = 90, sin  = 1 wtedy ą = arcsin
jeżeli (kąt całkowitego wew odbicia)
jeżeli (kąt całkowitego wew. odbicia)
n1
Każdemu załamaniu towarzyszy odbicie, ale odbiciu nie musi towarzyszyć załamanie
9
Zasady wyznaczania współczynnika załamania
- Oznaczeń dokonuje się w stosunku do próżni (N) lub powietrza (n)
- Standardowo stosuje sięświatło odpowiadające żółtej linii D sodu;
ostatnio, coraz częściej zielonej linii rtęci (546.1 nm),
- Pomiar dokonywany jest z dokładnością równą lub większą 10-4;
wymaga termostatowania lub uwzględnienia poprawki temperaturowej.
Rodzaje refraktometrów; dokładność pomiarów
Refraktometry Abbego; 10-4
Refraktometry zanurzeniowe; 10-5
Refraktometry Pulfricha ; 10-6
Pomiar współczynnika załamania polega na wyznaczeniu kąta granicznego
(refraktometr Abbego) lub kąta ą zależącego od kąta granicznego (refr.Pulfricha)
Refraktometr Abbego
10
Refraktometr Abbego
ą ą
powietrze powietrze
woda szkło
 1 2
siną siną
n = ; n =
1 2
sin1 sin2
po podzieleniu stronami
n1 sin2
=
czyli n1 " sin1 = n2 " sin 2
n2 sin1
gdy: n2>n1 promień przechodzący z ośrodka 1(ciecz) do ośrodka 2 pod
kątem 90o, zostanie złamany w ośrodku 2 pod kątem granicznym:
n1 " sin90o = n2 " sin 2(gran)
n1 = n2 " sin 2(gran) Pomiar n = pomiar gran
3
3
3' 2' 1' 1' 2' 3' 4'5'
2 2

 3
1'
1'
2

1
2'
3'
ą
4'
3'
5'
2'
1'
11
A B
Pomiar w świetle Pomiar w świetle
przechodzącym odbitym
Pomiary przeprowadza się przy zastosowaniu światła białego; pryzmaty
Amiciego przepuszczają wzdłuż osi promieniowanie żółte odpowiadającelinii Na589.3,
pozostałe promienie odchylają  stąd  n jest praktycznie wyznaczone przy D.
Zastosowanie światłabiałego pozwala na wyznaczanie dyspersji (Ds.)
11
Cechy charakteryzujące refraktometr Abbego
" Dokładność pomiarów współczynnika załamania - 10  4
" Pomiar współczynnika załamania światła w próbie (n ) polega na
" Pomiar współczynnika załamania światła w próbie (n1) polega na
wyznaczeniu kąta 2gran
n1 = n2 " sin 2(gran)
" Pomiary przeprowadza się przy zastosowaniu światła białego
" Umożliwia wyznaczenie dyspersji ( w sposób pośredni  na
podstawie oznaczonej wartości n i Z można obliczyć D śr )
Ds = nF  nC = A + B 
" skala  wartości n i % cukru
Refraktometr zanurzeniowy
(odmiana refraktometru Abbego)
12
Refraktometr zanurzeniowy
(odmiana refraktometru Abbego)
" Dokładność pomiarów współczynnika załamania - 10 5
(konieczność utrzymania stałej temperatury)
" Pomiar współczynnika załamania światła w próbie polega na
wyznaczeniu kąta granicznego
" Pomiary przeprowadza się przy zastosowaniu światła białego
" Skala  umowna 0-100 (wymienne pryzmaty; każdemu
odpowiada inny zakres pomiarowy współczynników załamania)
py y p y )
p
Zastosowanie refraktometrii
Metoda:
bardzo prosta, szybka, tania, stosunkowo dokładna, nieniszcząca,
wymaga b. małych ilości substancji
1. Identyfikacja, rozróżnienie związków (o takich samych temp.
topnienia lub wrzenia) i badanie czystości substancji- współczynnik
załamania jest wielkością charakterystyczną.
Oceny dokonuje się przez porównanie oznaczonego współczynnika
załamania próby z wartością współczynnika (dla określonej  i t ) podaną
w literaturze lub normach dla prawidłowych produktów.
2 Analiza ilościowa mieszanin dwuskładnikowych Oznaczeń dokonuje się
2. Analiza ilościowa mieszanin dwuskładnikowych. Oznaczeń dokonuje się
w oparciu o krzywe wzorcowe lub tabele (dla mieszanin o znanym
składzie.
3. Identyfikacja i charakterystyka substancji o niemal identycznych
współczynnikach załamania (np. składników ropy naftowej) na
podstawie wyznaczonej dyspersji
13
Zastosowanie refraktometrii
Analiza Towaroznawcza (przykłady)
1. Ocena jakości wielu produktów spożywczych (oleje, tłuszcze, wódki,
syropy) kosmetycznych, farmaceutycznych - na zasadzie porównania
współczynników załamania prób z wartościami współczynników podanymi
w normach dla prawidłowych produktow.
2. Kontrola jakości produktów spożywczych (roztwory cukrów, białek,
alkoholi, ekstrakty słodu, piwo, wino, soki, dżemy, ocena mleka, masła,
miodu)
3 Identyfikacja i charakterystyka substancji o niemal identycznych
3. Identyfikacja i charakterystyka substancji o niemal identycznych
współczynnikach załamania, np. składników ropy naftowej (cała
petrochemia).
4. Umożliwia potwierdzenie struktury chemicznej związków, na podstawie
wyznaczenia wartości r i R (które mają istotny sens fizyczny), np.:
kwas octowy mrówczan metylu
O
O Rat
HC
CH3C OH O CH3
CH3C OH O C
3 (refrakcja atomowa)
(refrakcja atomowa)
H
1. 100
4H 4. 400 4H 4 400
C
2. 418
2C 4. 836 2C 4 836
1O O
1. 643
1O 2. 211 2 211
1OH 1. 525 1 O OH
1. 525
1 643
O
2. 211
Ref. molowa
ŁRat 12.975 13.090
n2 -1
Ref. molowa R= 13.095
R= "M =rM(cm3);
d
n2 + 2
14
Zastosowanie refraktometrii
Przykładowe zastosowania refraktometrii:
" ocena dojrzałości wina poprzez optyczną ocenę stężenia cukru
w moszczu,
" zawartości wody, np. w słodzie piwnym, miodzie, sokach
owocowych, dżemach,
" odporności na zamarzanie płynów w układzie chłodzenia lub w
spryskiwaczach samochodowych,
" gęstości elektrolitu w akumulatorze,
" ilości rozpuszczonych substancji np stopień zasolenia wody
" ilości rozpuszczonych substancji, np. stopień zasolenia wody
morskiej,
" badania jakości substancji stosowanych przy obróbce metali
jak oleje obróbcze i chłodziwa
" mogą być też używane do każdych badań ilościowych i
jakościowych, gdzie wyznacznikiem jest wsp. refrakcji światła
http://www.refraktometry.eu/
http://www.rudolphresearch.com/automation.php
15
http://flexim.com/download/brochures/burefractoen.pdf
16
http://www.topac.com/to02006.html
Zastosowania w kontroli
procesów produkcyjnych, m.in.
procesów produkcyjnych, m.in.
przemysł papierniczy, chemiczny,
spożywczy, cukrowniczy, tekstylny
17
http://www.kruess.com/uploads/media/BR_Refraktometer_EN.pdf
" PN-EN 12143:2000
Soki owocowe i warzywne Oznaczanie zawartości substancji rozpuszczalnych metodą
Soki owocowe i warzywne -- Oznaczanie zawartości substancji rozpuszczalnych metodą
refraktometryczną
" PN-A-79093-2:2000
Piwo -- Metody badań -- Oznaczanie zawartości alkoholu, ekstraktu rzeczywistego i
ekstraktu brzeczki podstawowej metodą destylacyjną oraz metodą refraktometryczną
" PN-A-79093-2:2000/Ap1:2002
Piwo -- Metody badań -- Oznaczanie zawartości alkoholu, ekstraktu rzeczywistego i
ekstraktu brzeczki podstawowej metodą destylacyjną oraz metodą refraktometryczną
" PN-A-86745:1974
Przetwory rybne -- Oznaczanie suchej masy sosu pomidorowego metodą
refraktometryczną
18
Refraktometria
Zagadnienia:
1. Zastosowanie refraktometrii.
2. Załamanie i odbicie światła na granicy faz; kąt graniczny i kąt
całkowitego wewnętrznego odbicia.
3. Współczynnik załamania światła; czynniki wpływające na współczynnik
załamania światła.
4. Refrakcja właściwa, atomowa i molowa, celowość ich wyznaczania.
5. Dyspersja średnia i dyspersja właściwa.
6. Zasady wyznaczania współczynnika załamania światła, rodzaje
refraktometrów, czułość pomiarowa.
7. Pomiar współczynnika załamania światła w świetle przechodzącym i
odbitym za pomocą refraktometru Abbego. Cechy charakteryzujące
refraktometr Abbego.
8. Pomiar współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru
zanurzeniowego. Cechy charakteryzujące refraktometr zanurzeniowy.
9. Refraktometr Pulfricha.
19


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
W 6 ?rwa wydruk 09 2010
private banking 09 2010
patomorfologia wykłady 09 2010
meta?5 09 2010(1)
lista promotorow inzynierskich 09 2010
nowa deklaracja AKCU 1 09 2010
W  Polarymetria 09 2010
Literatura 09 2010 spol 2 sem
2010 09 PB 28 33 ezerskiy (1)id 146
Fabryka dźwięków syntetycznych 2010 11 09 Cover Edition
SIMR RR EGZ 2010 09 17 rozw
2010 09 TRX SDR na fale krótkie
2010 09 21 PZPN Egzamin Asystentow (2)
Le Monde Eudcation 2010 09 15 EDU
SIMR AN2 EGZ 2010 09 13 rozw
2010 09 Zaskakujaco proste uniwersalne łącze bezprzewodowe

więcej podobnych podstron