Data wykonania ćw.

22.10.2003

Inżynieria Ochrony Środowiska

PWSZ w Kaliszu

Laboratorium z analizy Instrumentalnej

Temat: REFRAKTOMETRIA - oznaczanie acetonu.

Ćwiczenie wykonali:

Michał Wróblewski

Marzena Zwiernik

Numer grupy: 4b

Numer podgrupy:

1. Część teoretyczna.

Refraktometria jest to analiza ilościowa - zależność współczynnika załamania światła „n” od stężenia badanych substancji.

Promienie świetlne przechodząc przez różne ośrodki posiadają różne prędkości, zależne od gęstości ośrodków, w których one przebiegają.

Światło padające pod pewnym kątem α na płaszczyznę rozgraniczającą dwa różne ośrodki przeźroczyste, mogą ulec częściowemu odbiciu pod kątem α₁ i częściowemu załamaniu pod kątem β .

.

Zjawisko odbicia i załamania światła zostały przedstawione przez Snelliusa w postaci praw optyki geometrycznej:

a)promienie; padający PO, odbity OD, załamany OZ i prosta prostopadła NO do powierzchni rozgraniczającej dwa ośrodki w punkcie O padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie.

b)Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

c)Stosunek sinusów kąta padania α i kąta załamania β jest dla danych ośrodków wielkością stałą, zwaną współczynnikiem załamania światła n₁,n₂ lub współczynnikiem refrakcji ośrodka 2 względem 1

Względny współczynnik załamania światła, to współczynnik który odnosi się do dwóch ośrodków materialnych.

Bezwzględny współczynnik załamania światła jest współczynnikiem

odnoszącym się względem próżni lecz praktycznie wyznacza się go względem powietrza, gdyż prędkości światła w próżni i w powietrzu są bardzo małe.

Kąt graniczny wewnętrznego odbicia φ występuje wówczas, gdy wartość kąta α promienia padającego jest równa wartości kąta ά promienia odbitego i wynosi 90°. Występuje wówczas poniższa zależność:

Pomiar kąta granicznego daje możliwość wyznaczenia współczynnika załamania światła n.

Chcąc znaleźć współczynnik załamania n₁ dla pierwszego badanego ośrodka należy znać wartość współczynnika załamania n₂ drugiego ośrodka i wartość kąta granicznego φ w drugim ośrodku.

Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą refraktometrów odzwierciedla poniższe równanie:

a z tego wynika:

α - kąt padania promienia świetlnego

β₁- kąt załamania promienia świetlnego w ośrodku 1

β₂- kąt załamania promienia świetlnego w ośrodku 2

n_1,2- współczynnik załamania światła ośrodków 1 i 2

Wartość współczynnika załamania światła zależy od rodzaju substancji i jej stężenia, długości fali użytego światła, temperatury i ciśnienia .

Refrakcja właściwa r_w jest funkcją określającą zależność między

współczynnikiem załamania „n” a gęstością „d” (cecha charakterystyczna związków chemicznych) .Zapisana w postaci równania:

Refrakcja molowa R_m (cząsteczkowa) określa zależność między współczynnikiem załamania „n”, gęstością „d” i ciężarem cząsteczkowym „M” .

Jest to reakcja addytywna (przyłączania).

Powyższe równania zostały zapisane przez H. A. Lorentza i L. F. Lorentza.

Dyspresją (rozczepieniem) danego ośrodka (z uwzględnieniem prędkości rozchodzenia się fal w zależności od ich długości) nazywamy różnicę współczynników załamania dla linii F i C Fraunhofera.

∆_n= n_f - n_c

Rozróżniamy dyspresje:

a) średnią n_f - n_c (F= 4861Ǻ, C= 6563Ǻ) długość fali linii F i C

b) właściwą n_f - n_c / d (d- gęstość cieczy w temperaturze, w której wyznaczono współczynniki załamania n_f i n_c ) .

jest to zdolność rozczepiająca danego środowiska

Refraktometr laboratoryjny typu RL PZO.

Za pomocą tego aparatu można zmierzyć refrakcję w przedziale od 1,3 do 1,7.

Współczynnik załamania światła odczytuje się w punkcie przecięcia nici pajęczych w obszarze widocznym w okularze. Pole okularu w czasie odczytu musi być rozgraniczone linią wyznaczoną przez jego ciemną i jasną część.

Linia ta musi też być wyraźna i leżeć na przecięciu nici pajęczych.

2. Przebieg ćwiczenia.

Do przeprowadzenia ćwiczenia dysponowaliśmy refraktometrem laboratoryjnym typu RL produkcji PZO, którym można zmierzyć współczynnik załamania światła badanej cieczy- czyli refrakcję.

Posiadaliśmy też biuretę, zasysacz . Wodne roztwory acetonu sporządzone zostały jako: 5%,10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%.

Najpierw sprawdziliśmy funkcjonalność refraktometru i dokonaliśmy jego regulacji za pomocą wskaźnika (wody destylowanej), który umieściliśmy za pomocą biurety na dolnym pryzmacie: wartość refrakcji tego wskaźnika w temperaturze 20°C wyniosła n_D²⁰=1,3329.

Naszym zadaniem było wyznaczenie stężenia procentowego Cx wodnego roztworu acetonu .

Po wykonaniu pomiarów refrakcji roztworów procentowych wody i acetonu, wykonaliśmy wykres zależności n od C , uzyskując wykres kalibracyjny funkcji n= f (C). Na wykresie tym umieściliśmy wyniki pomiarów w postaci punktów przez które poprowadziliśmy prostą najlepszego dopasowania. Następnie zmierzyliśmy refrakcję substancji Cx o nieznanym stężeniu i umieściliśmy jej wartość na osi rzędnej n.

3. Część obliczeniowa.

Tabela uzyskanych pomiarów:

C stężenie roztworu acetonu i wody	n współczynnik refrakcji
5%	1,3345
10%	1,3355
15%	1,340
20%	1,3425
25%	1,346
30%	1,349
40%	1,3535
50%	1,3575
Cx	1,347

Wartość procentowa Cx roztworu badanego odczytana z wykresu wynosi 28%.

1). Obliczam refrakcję molową dla acetonu korzystając z danych tabelarycznych refrakcji jego pierwiastków i wiązań:

H H

H - C - C - C - H

H O H

CH₃ - C - CH₃

O

2,418 +1,100 •3 +2,418 +2,211 +2,418 +1,100 •3 +1,733 =17,798

2). Wyznaczam refrakcję molową R_M acetonu, jednak aby to uczynić muszę obliczyć jego masę cząsteczkową M, mając dane:

współczynnik załamania światła acetonu n_D²⁰=1,3591

gęstość acetonu d= 0,7910 g/cm³

Masa atomowa:

C= 12u , H= 1u, O= 16u

Masa cząsteczkowa : M= 12 +1• 3+ 12+ 16+ 12+ 1• 3= 58 u= 58 g

3). Wyznaczam refrakcję właściwą dla acetonu, mając dane:

współczynnik załamania światła acetonu n_D²⁰=1,3591

gęstość acetonu d= 0,7910 g/cm³

Do pomiaru współczynnika załamania światła stosowane było światło barwy żółtej o długości fali linii D 589,3nm (5893Ǻ).

4). Obliczam wartość kąta granicznego dla badanego roztworu Cx acetonu, wiedząc że, aby otrzymać ten kąt muszę zwiększyć kąt załamania światła β tak by kąt padania α i kąt odbicia ά wynosiły 90°(kąt wewnętrznego odbicia).

α = ά =90° , n= 1,3591

β= 47°24'

β - wartość kąta granicznego.

4. Błędy pomiarowe.

Wyznaczam błąd bezwzględny B_b i błąd względny B_w dla badanych roztworów o stężeniach acetonu:

B_w= B_b / W_r• 100%

5%
B_w=23 / 28 •100% =0,82%

10%
B_w=18 / 28 •100% =0,643%

15%
B_w=12 / 28 •100% =0,429%

20%
B_w=8 / 28 •100% =0,286%

25%
B_w=3 / 28 •100% =0,107%

30%
B_w=2 / 28 •100% =0,071%

40%
B_w=12 / 28 •100% =0,429%

50%
B_w=22 / 28 •100% =0,786%

Błąd pomiarowy był również zależny od temperatury, gdyż wartość współczynników refrakcji badanych roztworów (acetylenu) była mierzona w temperaturze 24°C , a wiemy przecież że wzrost temp. O 1°C wywołuje zmniejszenie wartości współczynnika refrakcji n w granicach od 0,00035

do 0,00055.

Wyliczając współczynnik refrakcji n acetylenu mamy wartość n_D²⁰ =1,3591 w temperaturze 20°C.

Tak więc wartości błędu wyznaczania n współczynnika załamania światła może być dla ∆T= 24°C - 20°C= 4°C.

Błąd n minimalny: 0,00035 • 4=0,0014

Błąd n maksymalny: 0,00055 • 4=0,0022

Błędy wynikające z niedokładności odczytu:

n₂-n₁= 1,3355 - 1,3345= 0,001

n₃-n₂= 1,34 - 1,3355=0,0045

n₄-n₃= 1,3425 - 1,34=0,0025

n₅-n₄= 1,346 - 1,3425=0,0035

n₆-n₅= 1,349 - 1,346=0,003

n₇-n₆= 1,3535 - 1,349=0,0045

n₈-n₇= 1,3575 - 1,3535=0,004

0,001+0,0045+0,0025+0,0035+0,003+0,0045+0,004=0,023

błąd arytmetyczny wynosi: 0,023/8=0,002875

Wpływ ciśnienia na wartość współczynnika n cieczy i ciał stałych jest nieznaczny.

5. Wnioski:

Z powyższych obliczeń wnioskuję iż błędy pomiarowe mogły wyniknąć z:

1. Niewłaściwej regulacji refraktometru.

2. Źle oczyszczonych powierzchni pryzmatów.

3. Porysowana powierzchnia pryzmatów.

4. Nierównomierne pokrycie płaszczyzny pryzmatu substancją badaną.

5. Pęcherzyki powietrza w warstwie badanej substancji.

6. Odczyt wykonany w niewłaściwej temperaturze.

7. Niecałkowite zniesienie dyspersji.

8. Złe ustawienie linii granicznej w przecięciu się linii pajęczych, krzywy i nieostry jej obraz.

Refraktometria jest wykorzystywana np. przy oznaczaniu białka całkowitego w surowicy krwi, procentowej ilości cukru i tłuszczu oraz w określaniu budowy związków organicznych.

9

---