ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 1. Государственная фармакопея СССР

 

1. Государственная фармакопея СССР. – XI изд. – М.: Медицина, 1986. – Вып. 1. – 400 с.

2. Беликов В.Г. Лабораторные работы по фармацевтической химии. – М.: Высшая школа, 1989. – 376 с.

3. Бушкова М.Н. и др. Анализ лекарств в условиях аптеки. – Киев: Здоров¢я, 1975. – 408 с.

4. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. – Л.: Химия, 1974. – 400с.

5. Кулешова М.И. и др. Анализ лекарственных форм, изготавливаемых в аптеках. – М.: Медицина, 1989. – 288 с.

6. Максютина Н. П., Каган Ф.Е., Кириченко Л.А., Митченко Ф.А. Методы анализа лекарств.– Киев: Здоровье, 1984. – 222 с.

7. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. – М.: Высшая школа, 1982. – Ч. 2. – 288 с.

8. Справочник фармацевта / Под ред. А.И. Тенцовой. – М.: Медицина, 1981. – 384 с.

 

Бийский технологический институт (филиал)

 

Н. В. Степанова, Т. В. Сеношенко, А. Л. Верещагин

 

 

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

 

Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу

«Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204 и специальности 080401 по курсу «Физико-химические методы анализа потребительских товаров» всех

форм обучения

 

 

Автор (формулы проверены) Н. В. Степанова

Т. В. Сеношенко

А. Л. Верещагин

 

Зав. кафедрой…………………………………………. А. Л. Верещагин

 

Заместитель МКФ……………………………………..

 

Нормоконтролёр………………………………………..

 

Зав. библиотекой………………………………………..Л. В. Волкова

 

Представитель УР

 

 

Барнаул 2009

 

 

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

 

Бийский технологический институт (филиал)

 

Н. В. Степанова, Т. В. Сеношенко, А. Л. Верещагин

 

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

 

Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу

«Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204 и специальности 080401 по курсу «Физико-химические методы анализа потребительских товаров» всех

форм обучения

 

 

Барнаул 2009

 

УДК 543. 06(075.8)

Степанова, Н. В. Рефрактометирия: методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204 и специальности 080401 по курсу «Физико-химические методы анализа» всех форм обучения /Н. В.Степанова, Т. В. Сеношенко, А. Л. Верещагин

 

 

Алт. гос. техн. ун-т БТИ. – Бийск.

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – с.

 

Методические рекомендации составлены для студентов специальностей «Химическая технология органических соединений азота» (240701), «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твёрдых ракетных топлив» (240702), «Биотехнология» (240901), «Технология бродильных производств и виноделие» (260204), «Товароведение и экспертиза товаров» (080401) в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (Москва, 2000 г.).

Настоящие методические рекомендации содержат основные сведения о рефрактометрическом методе анализа различных веществ.

Приводятся краткие теоретические положения рефрактометрического метода анализа и рекомендации к выполнению нескольких лабораторных работ с помощью рефрактометрии.

Методические рекомендации содержат вопросы и задачи для контроля знаний студентов по рассматриваемой теме.

 

Рассмотрены и одобрены на заседании

кафедры общей химии и экспертизы товаров.

Протокол № 70-78/09 от 23 мая 2007 г.

 

 

Рецензент: к.т.н. ФНПЦ «Алтай»

к.т.н. ФНПЦ «Алтай» К.С. Барабошкин

 

 

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1. 1 Теоретические основы метода рефрактометрии

Преломлением, или рефракцией (от лат. refractus — преломленный ), называют изменение направления прямолинейного распространения света при переходе из одной среды в другую.

Преломление, так же как и поглощение света, является следствием взаимодействия его со средой. Рассматривая свет как проникающие электромагнитные колебания, можно считать, что под воздействием электромагнитных волн в атомах вещества, через которое проходит свет, возникают вынужденные колебания электронов и ядер. Следствием этих колебаний является взаимное смещение тех и других относительно друг друга. В результате смещения “центров тяжести” положительного и отрицательного зарядов происходит поляризация атомов и молекул вещества (диэлектрика) в электромагнитном поле света.

Диполи генерируют вторичные волны, взаимодействие которых со световыми приводит к возникновению результирующей волны. Последняя распространяется в веществе со скоростью, отличной от скорости, которой свет обладал в первичной среде, и в другом направ­лении. Наблюдаемые при этом явления подчиняются законам преломления и отражения света на поверхности раздела двух прозрачных изотропных сред.

Ррефрактометрия означает измерение преломления света. Более широкое содержание этого термина включает все методы количественной оценки этого явления и все возможные практические приложения этих измерений, включая рефрактометрический анализ. Рефрактометрические методы обладают целым рядом преимуществ, которые обеспечили им широкое применение в химических исследованиях и при контроле технологических процессов. Проведение анализа является весьма простой операцией, которая может быть осуществлена с высокой точностью, затратами очень малого количества вещества и минимального количества времени. Обычные рефрактометры (приборы для измерения показателя преломления) надежно обеспечивают точ­ность до 10^-3 %. При применениинекоторых специальных методоврефрактометрии точность может быть увеличена на несколько порядков.

Рефрактометрия находит применение как для определения состава двухкомпонентных растворов, так и тройных систем.

Методы рефрактометрии применяют для контроля чистоты и для идентификации индивидуальных веществ, для определения строения органических и неорганических соединений, при изучении растворов и в других исследованиях.

1. 2 Показатель преломления

 

Преломление света оценивается по величине показателя преломления. Отклонение светового луча от первоначального направления при переходе его из

одной среды в другую тем больше, чем больше разница между скоростями распространения света в двух данных средах. Вакуум является наименее оптически плотной средой, и луч света распространяется в нем с наибольшей скоростью.

Абсолютным показателем преломления света N для каждой прозрачной среды (вещества) является отношение скорости распространения света в вакууме к скорости света в этой среде (веществе) :

. (1. 1)

Скорость света в вакууме в 1,00027 раза больше скорости света в воздухе и следовательно:

. (1. 2)

Так как скорость света в вакууме является предельной, то показатели преломления для всех веществ и любых сред больше единицы.

 

Когда говорят о показателях преломления твердых и жидких тел, то обычно имеют в виду их относительные показатели преломления по отношению к воздуху. Эти величины обозначаются буквой и называются просто показателями преломления:

 

,

где , и – скорости распространения света соответственно в среде 1 и 2. Между величинами N и существует следующее соотношение:

 

.

 

Практически можно считать, что показатель преломления вещества относительно воздуха равен его абсолютному показателю преломления.

 

 

 

 

 

 

а б

 

 

Рисунок 1 – Схема преломления (а) и полного внутреннего отражения (б) луча света при переходе из одной среды в другую

 

Если рассматривать любые две среды (1 и 2, рисунок 1), то преломление света в одной из них (среде 2) при попадании в нее света из среды с меньшей оптической плотностью будет характеризоваться относительным показателем преломления .

Показателем (коэффициентом) преломления или называют отношение синуса угла падения луча света (α) к синусу угла его преломления (β) (рисунок 1а)

 

. (1. 3)

 

Если луч света переходит из вакуума или из воздуха в дру­гую среду, то угол падения всегда больше угла преломления. Если луч света переходит из среды более преломляющей, в среду менее преломляющую, то угол падения оказывается меньше угла преломления и приведенная выше формула принимает вид:

 

. (1. 4)

 

 

При величине угла падения 40° и выше луч света полностью отражается от поверхности раздела. Этот угол называется углом полного внутреннего отражения (рисунок 1б). Из формулы (1. 4), если , получаем:

; (1. 5)

 

Следовательно, зная угол полного внутреннего отражения, можно определить значение показателя преломления. Этот способ определения показателя преломления вещества используется во многих конструкциях рефрактометров – приборов для определения показателя преломления.

Величина показателя преломления зависит от природы вещества, его плотности, длины волны падающего света, температуры и дав­ления.

Зависимость показателя преломления от длины световой волны называют дисперсией (от лат. dispersus – рассеянный). Те вынужденные колебания электронов, которые связаны с воз­действием световой волны на вещество и являются причиной поляризации атомов и молекул, приводящей к преломлению света, находятся в определенном соотношении с длиной волны. Соотношение это таково, что чем меньше длина волны, тем значительнее преломление. Поэтому-то лучи разных длин волн преломляются по-разному.

Показатель преломления вещества так же связан с плотностью вещества. Увеличение плотности ведёт, как правило, к увеличению показателя преломления.

Связь между показателем преломления и плотностью может быть выражена следующим образом:

 

f (n) = r ∙ d, (1. 6)

 

где r – коэффициент пропорциональности, называемый удельной рефракцией; d – плотность, кг/дм³.

Удельная рефракция – это рефракция 1 г вещества.

На основании представлений о поляризации атомов и молекул вещества (диэлектрика) в электрическом поле указанную формулу можно записать в следующем виде (формула Лорентц – Лоренца):

 

r ∙ d = , (1. 7)

откуда r, см³/г:

r = ∙ . (1. 8)

 

Если обозначить массовую долю растворённого вещества через ω, а массовую долю растворителя через (100 – ω), то уравнение будет иметь вид:

 

100 ∙ r_р-ра = r₁^. ω + (100 – ω) r₂. (1. 9)

Молекулярной рефракцией R называется произведение удельной рефракции на молекулярную массу М. Так как

 

R = r ∙ M,

следовательно

 

R = ∙ . (1. 10)

 

Молекулярная рефракция является мерой средней поляризуемости молекул.

Молекулярная рефракция органических соединений широко используется для определения их состава и строения. Это связано с тем, что молекулярная рефракция является аддитивной величиной, что позволяет вывести соотношение между численными значениями массовых (Р_ч) и молекулярных долей вещества в растворе:

 

Pk = Xk ,

где Mk - молекулярная масса компонента k;

M - средняя молекулярная масса смеси (М = ∑ x_{k ∙} Mk).

Таким образом, молекулярная рефракция растворов может рассматриваться как линейная функция их состава, выраженного в молярных долях. В настоящее время указанные выше формулы используются для определения строения органических соединений.

Для экспериментального определения молекулярной рефракции необходимо измерить показатель преломления и плотность вещества. Значение R вычисляется по формуле Лорентц – Лоренца. Полученный результат сравнивают со значением молекулярной рефракции, найденным, как сумма атомных рефракций и рефракций связей по табличным значениям, на соответствие с гипотетической формулой исследуемого вещества. Сопоставление значений молекулярной рефракции со значениями, вычисленными на основе аддитивности константами позволяет довольно точно определить принадлежность исследуемого соединения к определённому классу органических соединений.

Таким образом, молекулярная рефракция – это классификационный признак вещества, так как молекулярная рефракция определяется только природой вещества и не зависит от внешних условий: температуры, давления, агрегатного состояния вещества.

 

1. 3 Аппаратура для рефрактометрического метода анализа

 

Основным прибором для определения показателя преломления является рефрактометр. Для точных исследовний применяют рефрактометр типа реф-рактометров Пульфриха и Аббе. В данных лабораторных работах используется рефрактометр Аббе (ИРФ 454).

 

 

На этом приборе можно измерять показатель преломления жидкостей в интервале от 1,3 до 1,7. Показатель преломления прозрачных сред определяют в проходящем свете, полупрозрачных и мутных – в отражённом.

Главной частью прибора являются две прямоугольные призмы, сложенные диагональными плоскостями, между которыми помещается небольшое количество жидкости (1–2 капли) (рисунок 2). Перед началом работы поверхности обеих призм осторожно протирают фланелью или фильтровальной бумагой, не нажимая, чтобы не повредить полированную поверхность измерительной призмы, затем наносят на нее каплю – другую исследуемой жидкости. Плоскости призм прижимаются друг к другу, и жидкость растекается между ними тонким слоем (0,1…0,2 мм).

Лучи света проходят осветительную призму 3. Рассеиваясь на выходе матовой гранью А₁В₁, входят в исследуюмую жидкость и падают на полированную грань АВ измерительной призмы 1.

Поворотом призмы достигается полное внутреннее отражение света от поверхности анализируемого вещества, наблюдаемого в окуляре рефрактометра. Угол поворота призмы определяют по шкале рефрактометра (рисунок 3).

 

 

1 — призма измерительная; 2 — жидкость исследуемая; 3 — призма осветительная

Рисунок 2 – Схема расположения призм рефрактометра

 

Шкала рефрактометра градуируется непосредственно в значениях показателя преломления n_. Необходимость каких-либо вычислений поэтому отпадает, и вся процедура измерений занимает несколько минут. В современных моделях шкала проектируется в поле зрения трубы и видна одновременно с граничной линией полного внутреннего отражения.

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Поле зрения окуляра рефрактометра ИРФ – 454 А.