По найденным величинам оптической плотности строят градуировочный график.
Определение содержания марганца
в контрольном растворе
У преподавателя получают контрольный раствор с неизвестной концентрацией марганца. В мерную колбу вместимостью 50 мл помещают точно отмеренный объем контрольного раствора и доливают до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают.
Измеряют оптическую плотность раствора в тех же условиях, что и при построении калибровочного графика. В качестве раствора сравнения используют дистиллированную воду. Повторяют определение три раза и рассчитывают среднее значение.
Содержание марганца в анализируемом растворе СХ находят по калибровочному графику. Содержание марганца в контрольном растворе вычисляют по формуле:
  , где VХ – объем контрольного раствора.
Рассчитайте абсолютную и относительную ошибку определения.
РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА
Теоретические основы метода
Световые электромагнитные колебания обладают способностью распространяться вдоль прямой линии. В различных средах электромагнитные волны передаются с разной скоростью. Поэтому при переходе луча света из одной прозрачной среды в другую направление его распространения меняется. Это явление называется преломлением.
Среда считается оптически более плотной, если скорость распространения света в ней меньше. При переходе луча из среды менее оптически плотной в среду более оптически плотную угол падения больше угла преломления. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Метод, основанный на определении концентрации веществ по показателю преломления, называется рефрактометрическим.
α - угол падения; I среда - менее оптически плотная;
β - угол преломления; II среда - более оптически плотная.
Рисунок. 1. Преломление луча света на границе воздух - вода
Если луч падает из воздуха, то n - показатель преломления данной среды по отношению к воздуху. Обычно показатели преломления твердых и жидких тел определяют по отношению к воздуху и называют просто "показатель преломления" и обозначают буквой n.
Если свет переходит из вакуума в данную среду, то показатель преломления называется абсолютным и обозначается N. Практически, показатель преломления вещества относительно воздуха можно считать равным его абсолютному показателю преломления.
По физическому смыслу относительный показатель преломления равен отношению скорости света в данной среде к скорости света в той среде, в которой он распространяется после преломления.
Показатель преломления зависит от природы вещества, длины волны света, температуры. Для длины волны 589 нм (желтая спектральная линия) и температуры 20°С его значение можно найти в специальных таблицах.
Приборы, используемые для определения показателя преломления веществ, называют рефрактометрами. Чаще всего определение проводится при дневном свете или с помощью лампы накаливания. Приборы снабжаются компенсаторами дисперсии, которые компенсируют разложение белого света призмой и направляют световой поток в направлении, совпадающем с направлением желтого луча. Такой показатель преломления совпадает с показателем преломления, измеренным в желтом свете.
Измерение показателя преломления на границе воздух — жидкость технически неудобно. Поэтому в рефрактометрах обычно измеряют углы падения и преломления света на границе жидкость — стекло, пользуясь так называемым методом предельного угла, сущность которого заключается в следующем. Если луч света из среды с большим показателем преломления по отношению к воздуху (n1) попадает в среду с меньшим показателем преломления (n2), зависимость между ними можно выразить в виде уравнения: 
С увеличением угла падения постепенно увеличивается угол преломления и наступает момент, когда угол преломления достигает 90º и луч света уже не входит во вторую среду, а только скользит по поверхности раздела сред (см. рис. 2). Такое явление называют полным внутренним отражением света. Угол падения луча, при котором оно наблюдается, называют предельным углом (α2). Поскольку предельному углу соответствует угол падения луча, равный 90°, то sin β = 1 и уравнение приобретает вид: 
Рисунок 2. Полное внутреннее отражение света:
а — луч света, падающий под углом α1 в среде В и преломляющийся под углом β1 и входящий в среду A; b —луч света, падающий под предельным углом α2 и преломляющийся под углом β2 = 90°; с — луч света, падающий под углом α3 — большим, чем предельный, и не входящий в среду А (СD — поверхность раздела двух сред)
Зная показатель преломления одной среды n2 и измерив предельный угол полного внутреннего отражения α2, можно определить величину показателя преломления другой среды n1, например раствора, анализируемого на содержание растворенного в нем вещества. Этот принцип используют в рефрактометрах многих конструкций, где средой с известным (высоким) показателем преломления служат призмы из специальных сортов стекла, на которые и наносят анализируемый раствор.
Показатель преломления растворов определяют с помощью рефрактометров в тех случаях, когда известна зависимость величины n от концентрации раствора.
 , где n0 - показатель преломления чистого растворителя; – концентрация (массовая или объемная доля растворенного вещества); k - эмпирический коэффициент.
Рисунок 3. Зависимость показателя преломления n от концентрации раствора
Таким способом часто определяют содержание ароматических углеводородов, солей в водных растворах. В агрохимической службе рефрактометрию чаще всего используют для установления содержания сахарозы в различных растворах и соках (специальные рефрактометры-сахариметры), а в технохимическом контроле—для определения количества растворимых сухих веществ в разного рода экстрактах, соках, пастах.
Рефрактометрия — это экспресс-метод анализа содержания сахаров в плодах и овощах, поступающих для переработки на фабрики и консервные заводы (виноград, яблоки и груши, свекла, арбузы, дыни, томаты, морковь). При определении качества плодов и овощей предварительно находят коэффициенты пересчета количества растворимых в воде сухих веществ на содержание сахарозы.
Рефрактометрия незаменима также при анализах жирности молока, молочных продуктов, сливочного масла, в основе которых лежат измерения показателя преломления жидкостей рефрактометрами. Такие анализы отличаются простотой, удобством, надежностью, минимальным расходом определяемых веществ, быстротой выполнения.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
НА РЕФРАКТОМЕТРЕ ИРФ-22
1. Приподняв верхнюю призму, поместите с помощью пипетки 2-3 капли исследуемой жидкости на поверхность горизонтально расположенной нижней призмы. При этом не следует касаться пипеткой поверхности призмы, чтобы не поцарапать ее. Затем опустите верхнюю призму и плотно прижмите ее.
2. Перемещая осветительное зеркало, направьте лучи света на систему призм. Чтобы шкала в зрительной трубе была хорошо освещена, откройте также осветительное окошечко, расположенное с левой стороны прибора, и, изменяя положение зеркальца, добейтесь хорошей освещенности. Резкость установите, вращая окуляр на зрительной трубе.
3. Предельным лучом видимое поле в зрительной трубе делится на светлую и темную части, граница между которыми при измерениях должна быть совмещена с перекрестьем нитей вращением барабана, расположенного с левой стороны прибора.
4. Из-за разложения (дисперсии) белого света при прохождении его через измерительную призму граница светлого и темного полей может быть нечеткой радужной). В этом случае для устранения дисперсии поверните маховик компенсатора, расположенный с правой стороны прибора.
5. Совместив границу между светом и тенью с центром перекрестья, сделайте отсчет показателя преломления по значению шкалы прибора, совпадающего с визирной линией.
6. Показатель преломления зависит от температуры, поэтому призмы рефрактометра имеют кожух с двумя штуцерами, к которым могут быть подсоединены шланги от термостата. Перед проведением измерений через кожух пропускают воду соответствующей температуры в течение примерно 15 минут. Контроль осуществляется с помощью термометра, вставленного в специальный штуцер. Температура должна поддерживаться с точностью  . Точность измерений на рефрактометре ИРФ-22 составляет  , пределы измерения показателя преломления -
Лабораторная работа № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭТАНОЛА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Необходимое оборудование и реактивы
1. Рефрактометр ИРФ-22
2. Пробирки объемом 25 мл, 8 шт.
3. Бюретки на 25 мл, 2 шт.
4. Этанол (абсолютированный).
5. Дистиллированная вода.
Построение градуировочного графика
В пробирках готовят серию калибровочных растворов этилового спирта, для чего отмеряют с помощью бюреток следующие объёмы воды и этанола:
V(H2O), мл
|
9
|
8
|
7
|
6
|
5
|
4
|
3
|
2
|
V(C2H5OH),мл
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
Тщательно перемешивают растворы и определяют коэффициент преломления каждого из них. Для этого помещают 1 – 2 капли раствора на поверхность измерительной призмы рефрактометра, заполняют обогревательную систему рефрактометра водой и отмечают температуру. Выжидают 15 минут до установления постоянной температуры и определяют коэффициент преломления. Для этого освещают призмы рефрактометра ярким светом и наблюдают в окуляре границу темного и светлого полей. Поворотом компенсатора, если он имеется, устанавливают наиболее резкую границу светлого и темного полей. Затем поворотом ручки рефрактометра подводят границу к перекрестку нитей окуляра. Делают отсчет по шкале. Освобождают призму рефрактометра от раствора, тщательно вытирая поверхность призмы кусочком фильтровальной бумаги. Помещают на поверхность призмы новую порцию раствора и повторяют определение. Для каждого раствора определение показателя преломления проводят не менее 5 раз. Вычисляют среднее значение коэффициента преломления  из всех определений, стандартное отклонение от среднего значения  и доверительный интервал измеряемой величины Δn при доверительной вероятности β = 0.99. Величина  не должна превышать значения минимальной цены деления шкалы прибора. Если больше цены деления шкалы, определение повторяют. Все результаты наблюдения заносят в таблицу:
№
опыта
|
ωоб.,% спирта
|
n1
|
n2
|
n3
|
n4
|
n5
|
|
|
Δn
|
nраствора
(± Δn)
|
1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По полученным результатам строят график зависимости показателя преломления от объёмной доли этанола ω об. % в растворе. Если какие – либо точки резко отклоняются от кривой, определение показателя преломления в этих точках повторяют.
Определение концентрации этанола в контрольном растворе
Получают у преподавателя контрольный раствор с неизвестной концентрацией этанола, определяют коэффициент преломления в данном растворе, как описано выше. Пользуясь калибровочной кривой, определяют объемную долю этанола в растворе.
ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Теоретические основы метода
Свет представляет собой электромагнитные волновые колебания, распространяющиеся от источника возбуждения во все стороны по прямой линии. Направление колебаний перпендикулярно направлению распространения луча. Колебания происходят в разных плоскостях, но при определенных условиях можно получить свет, у которого все волновые колебания расположены в одной плоскости. В таком случае свет называют поляризованным. При прохождении такого луча света через растворы веществ, обладающих оптической активностью, плоскость волновых колебаний поворачивается на угол, называемый углом вращения плоскости поляризации света. Поляриметрический анализ основан на измерении угла вращения плоскости поляризации света, проходящего через раствор оптически активных веществ (сахара, антибиотики, гликозиды, алкалоиды и др.). Угол вращения плоскости поляризации луча света β (в круговых градусах) раствором в слое определенной толщины зависит от концентрации раствора. На этой зависимости основана работа поляриметра:
 ,
где α - удельное вращение плоскости поляризации, характеризующее природу растворенного вещества, C – концентрация растворенного вещества в г/мл, l - толщина слоя или длина поляриметрической трубки в дм.
Принцип действия сахариметра универсального СУ-3
Для получения поляризованного света применяют поляризационные призмы, пропускающие лишь световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости. В качестве поляризаторов света используют призму Николя (или николь), которая состоит из двух половинок исландского шпата, склеенных под углом 22º, или специальные пластинки, вырезанные из других минералов. Если свет проходит через две поляризационные призмы, расположенные одна за другой, то могут наблюдаться различные явления, зависящие от взаимного расположения этих призм. Если поляризационные призмы поставлены так, что плоскость колебаний пропускаемых лучей первой призмы совпадает с плоскостью колебаний пропускаемых лучей второй призмы, то лучи пройдут беспрепятственно через обе призмы. Если вторую поляризационную призму повернуть на 90° относительно первой, то свет потухнет, т.к. вторая призма его не пропустит. Таким образом, вторая поляризационная призма позволяет выяснить, в каком направлении поляризован падающий на нее свет. Первая, ближайшая к источнику света призма выполняет роль поляризатора, а вторая - анализатора.
В сахариметрах, предназначенных для измерения концентрации главным образом сахаров (отсюда название прибора), условия измерения стандартизуют (Т=20°С, длина поляриметрической трубки l =2 дм), а шкалу измерительного прибора градуируют так, чтобы при измерении в этих стандартных условиях непосредственно отсчитывать концентрацию оптически-активного вещества в %. Концентрацию сахарозы определяют по Международной сахарной шкале. 100 градусов данной шкалы (100°S) соответствуют 34.62 круговым градусам вращения плоскости поляризации света β, т.е. 1°S = 0.3462 кругового градуса. Измеряя на сахариметре β для других веществ, необходимо использовать коэффициент пересчета k, учитывающий их удельный угол вращения плоскости поляризации света α. Стандартные условия предусматривают освещение раствора сахарозы белым светом. При измерении концентрации других веществ (например, камфары) их освещают монохроматическим светом определённой длины волны. Сахариметры широко применяется в пищевой и химико-фармацевтической промышленности.
ПРАВИЛА РАБОТЫ НА САХАРИМЕТРЕ СУ-3
1. Перед началом работы установите по глазу наблюдателя окуляр зрительной трубы поля зрения и окуляр шкалы.
2. При свободной камере прибора проверьте положение нуля. Если при однородной окраске обеих половинок поля зрения нулевые деления шкалы и нониуса не совпадают, при помощи ключа установите шкалу на нуль.
3. Заполните поляриметрическую трубку раствором так, чтобы под покровным стеклом не было пузырьков воздуха.
4. Поместите в камеру прибора поляриметрическую трубку с испытуемым раствором.
5. Наличие в приборе поляриметрической трубки с раствором вызывает неодинаковую интенсивность освещенности половинок поля зрения. Вращая головку кремальной передачи, приведите поля зрения к полной однородности интенсивности освещения обеих половинок и произведите отсчет показаний.
6. При работе со светлоокрашенными растворами подвижную рамку узла осветителя ставят в положение, при котором луч света проходит через матовое стекло, при работе с темноокрашенными растворами стекло убирают.
7. Если при работе растворами сахаров наблюдается некоторое различие в оттенках окраски в обеих половинках поля зрения, устанавливают светофильтр.
О
тсчет показаний поляриметра при помощи нониуса
Рисунок 1. Шкала и нониус.
На рис. 1 показано положение шкалы, отвечающее значению + 6.7°S. Нуль нониуса отклонился вправо от нуля шкалы на 6 полных делений. В правой части нониуса седьмое деление совпадает с одним из делений шкалы.
Лабораторная работа № 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ САХАРОВ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Необходимое оборудование и реактивы
1. Сахариметры СУ-3, СУ-4.
2. Поляриметрические трубки длиной 1 дм.
3. Мерные колбы объемом 50 мл 4 шт. и 100 мл 1 шт.
4. Часовые стекла, аналитические и технические весы.
5. Стандартные растворы глюкозы 0.1 г/мл, сахарозы и мальтозы 0.05 г/мл.
6. Бюретка на 50 мл 1 шт.
7. Дистиллированная вода
Опыт 1. Определение удельного угла поляризации сахаров
Поляризуют растворы сахаров в трубке длиной 1 дм. Измерения повторяют три раза и записывают показания прибора Р в единицах Международной сахарной шкалы в таблицу 1. По среднему значению Р вычисляют угол поляризации света раствором β, умножив на коэффициент пересчета k. Зная длину поляриметрической трубки и концентрацию раствора рассчитывают удельный угол вращения плоскости поляризации света веществом  и сравнивают с табличной величиной.
Таблица 1.
Углеводы
|
Показания прибора Р, °S
|
k
|
β
|
α
|
αтабл
|
Р1
|
Р2
|
Р3
|
Рср
|
Сахароза
Глюкоза
Мальтоза
|
|
|
|
|
0.3462
0.3596
0.3880
|
|
|
+ 66.5
+ 52.5
+ 137.0
|
|
