Wyznaczanie stężenia roztworu poprzez pomiar współczynnika załamania za pomocą refraktometru

Światło - jest falą elektromagnetyczną.

Zwyczajowo światłem nazywamy te fale, które są widziane. Światło ma naturę korpuskularno - falowa, tzn. jest falą, ale w pewnych warunkach zachowuje się jak cząsteczka.

Jego prędkość wynosi c= ok. 300 000 km/s.

Współczynnik załamania światła n dla danego materiału jest równy stosunkowi prędkości światła w próżni (c) do prędkości światła w danym materiale (v).

n = c/v

Współczynnik załamania światła jest wartością bezwymiarowa, lecz nie stałą. Zależy zarówno od warunków, w jakich znajduje się ośrodek:

temperatury, ciśnienia, itd. jak i od długości fali padającego promieniowania.

Załamanie światła polega na zakrzywieniu promieni świetlnych przy przechodzeniu z jednego ośrodka do innego, przy czym:

• kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego, to załamuje się od normalnej (prostej prostopadłej do powierzchni rozgraniczającej ośrodki wystawionej w miejscu przechodzenia promienia świetlnego)- (Rys.1)

• kiedy przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie gęstszego załamuje się do normalnej - (Rys. 2).

powietrze α

β

szkło n=1,5

Rys. 1. Załamanie światła na granicy ośrodków: powietrze - szkło

szkło n=1,5

α

β n=1,33

woda

Rys. 2. Załamanie światła na granicy ośrodków: szkło - woda

Promień padający na granicę dwóch ośrodków nosi nazwę promienia padającego, a promień przechodzący do drugiego ośrodka nazywamy promieniem załamanym. Kąt, który tworzy promień padający z normalną nazywamy kątem padania α, a kąt między promieniem załamanym, a normalną nazywamy kątem załamania β.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła ma miejsce wówczas, gdy promień świetlny biegnie ze środowiska optycznie gęstszego do rzadszego, np. z wody do powietrza, przy czym pada na powierzchnie graniczną pod kątem większym od tzw. Kąta granicznego. Jest to taki kąt padania w środowisku optycznie gęstszym, dla którego kąt załamania w środowisku rzadszym wynosi 90°.

Odbicie i załamanie światła

Światło mimo, iż jest falą to w pewnych warunkach zachowuje się jak cząsteczka np. przekaz energii i pędu w czasie zderzenia z atomem, a w innych jak fala np. w zjawisku interferencji (dlatego mówimy, że światło ma naturę korpuskularno- falową).

Korpuskularno- falową naturę światła można pominąć wtedy, gdy opisuje się oddziaływanie światła z obiektami makroskopowymi. W takim przypadku stosuje się pojęcie promienia świetlnego- jest to bardzo wąska wiązka światła, której oś wyznacza kierunek rozchodzenia się energii.

To w jaki sposób promienie świetlne zachowują się na granicy dwóch ośrodków opisują prawa odbicia i załamania światła. Prawa te pozwalają ustalić zachowanie się promieni na granicy dwóch danych ośrodków. Używa się ich również do rozpoznawania substancji znając jedynie współczynnik załamania tych substancji.

Podczas analizy przebiegu wiązki światła zauważa się, że gdy trafia na swojej drodze na inne środowisko, to na powierzchni granicznej część promieniowania zostaje odbita, rozproszona lub pochłonięta, a reszta przechodzi dalej ulegając załamaniu.

Refraktometr.

Refraktometr jest to przyrząd służący do pomiaru współczynnika załamania.

Współczynnik ten zdefiniowany jest następującym wzorem:

gdzie: n - współczynnik załamania światła, α - kąt padania, β - kąt załamania, v₁ i v₂ - odpowiednio szybkość światła w ośrodku rzadszym i gęstszym.

Najczęściej stosowane są refraktometry Abbego i Pulfricha. Służą one właściwie do pomiaru kąta granicznego β_gr, przy którym występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Kąt ten jednoznacznie określa wartość współczynnika n zgodnie ze wzorem:

gdzie: β_gr - jest kątem granicznym;

Zjawisko to nosi nazwę odbicia całkowitego, ponieważ w promieniu odbitym zawiera się całkowita energia promienia padającego.

W rezultacie, po odpowiednim wyskalowaniu, na skali przyrządu odczytuje się współczynnik załamania światła, n, zamiast kąta granicznego.

Pomiaru współczynnika załamania dokonuje się wykorzystując całkowite wewnętrzne odbicie. Głównym elementem refraktometru jest układ dwóch pryzmatów o znanych współczynnikach załamania z ciężkiego szkła (flintu), ustawionych przeciwprostokątnymi do siebie, między które wpuszcza się kroplę badanej cieczy. Do oświetlenia stosuje się światło białe rozproszone padające na pryzmat oświetlający, który może obracać się wokół osi przechodzącej poziomo przez jego dolną krawędź. Przez warstwę cieczy, a następnie przez drugi pryzmat pomiarowy, przejdą tylko te promienie, które będą padały na płaszczyznę rozdziału szkło-ciecz pod kątem mniejszym niż kąt graniczny. Ponieważ cześć wiązki ulegnie całkowitemu odbiciu, a część przejdzie przez pryzmat pomiarowy, to pole widzenia w lunecie refraktometru będzie podzielone na część jasną i ciemną. Położenie linii rozdziału w polu widzenia będzie zależało od kąta całkowitego wewnętrznego odbicia. Pomiaru dokonuje się przez sprowadzenie linii rozdziału części oświetlonej i nieoświetlonej do linii przecięcia nici pajęczej okularu refraktometru.

Zastosowanie pomiarów refraktometrycznych:

Refraktometria znalazła zastosowanie w analizie ilościowej i jakościowej- w badaniach nad strukturą związków chemicznych.

Odczynniki i aparatura:

• 10 roztworów wzorcowych NaCl o znanych stężeniach i c_x1, c_x2 %

• Refraktometr

• Woda

• Pipeta

Cel ćwiczenia:

1. Wyznaczenie współczynnika refrakcji (załamania) roztworów NaCl o podanych stężeniach

2. Zbadanie współczynnika załamania dla roztworów o nieznanym stężeniu

3. Określenie nieznanego stężenia procentowego NaCl na podstawie sporządzonego wykresu n_D=f(c)

Wykonanie ćwiczenia:

1. Otworzyć komorę pryzmatu pomiarowego.

2. Przemyć powierzchnie pryzmatów (dolnego i górnego) wodą destylowaną

i osuszyć.

3. Za pomocą pipety nanieść na powierzchnię pryzmatu pomiarowego kilka

kropel badanej cieczy, tak aby cała powierzchnia dolnego pryzmatu była

pokryta cieczą badaną.

4. Opuścić górny pryzmat i lekko docisnąć do powierzchni pryzmatu pomiarowego. Odsłonić okienko z przodu tego pryzmatu.

5. Włączyć źródło światła (lampę elektryczną) tak aby w okularze lunety widoczny był wyraźny obraz.

6. Obracając pokrętłem z lewej strony przyrządu ustawić w polu widzenia linię rozgraniczającą jasną i ciemną część obrazu.

7. Kręcąc pokrętłem z prawej strony przyrządu uzyskać ostrą, wyraźną, bezbarwną linię rozgraniczającą jasne i ciemne pole widziane w górnej części obrazu w okularze.

8. Ustawić lusterko (znajdujące się z lewej strony refraktometru) tak, aby oświetlona została skala widziana w dolnej części obrazu w okularze.

9. Ponownie obrócić pokrętłem z lewej strony i naprowadzić tę linię dokładnie na przecięciu skrzyżowanych linii.

10. Z górnej części dolnej skali odczytać wartość współczynnika załamania badanej cieczy.

Pomiar współczynnika załamania dla znanych stężeń i substancji c_x1i c_x2 należy powtórzyć trzykrotnie i wyniki wpisać do tabeli.

Lp.	c[%]	Współczynnik załamania nD
				Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3	Średnia
1.
…

Na podstawie wyników zestawionych w tabeli sporządzić wykres zależności współczynnika załamania roztworów od stężenia.

Z wykresu odczytać substancję o nieznanym stężeniu.

40

%

n_D

_1,40

---