Материал: А27103 Василинец И. М., Колодязная В.С. Методы исследования

7.3. Методы поляриметрического определения

Порядок работы с поляриметром следующий. После включения источника света нужно подогнать по своему глазу окуляр зрительной трубы и отсчетную лупу. Для этого, вращая оправы, их передвигают вдоль оси так, чтобы в окуляре зрительной трубы была отчетливо видна вертикальная линия, разделяющая поле зрения на две половины, а через лупу – штрихи и цифры шкалы и нониуса.

Затем прибор без поляриметрической трубки устанавливают в нулевое положение путем вращения рукоятки кремальерной передачи, связанной с подвижным кварцевым клином. Перемещая его вправо или влево, добиваются полной однородности в освещении обеих половин поля зрения. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. В противном случае при помощи съемного ключа винта, находящегося на тыльной стороне измерительного узла, перемещают нониус до совмещения обоих нулевых делений.

Раствор, подготовленный к поляриметрированию, должен быть совершенно прозрачным. Им сначала два–три раза ополаскивают закрытую с одного конца трубку, а затем наполняют ее. Чтобы трубка не нагревалась от руки, ее ставят на стол и аккуратно по стенке наливают раствор до тех пор, пока жидкость не появится над краем трубки в виде выпуклого мениска. На этот мениск осторожно и быстро опускают покровное стекло или «срезают» мениск, надвигая стекло сбоку, при этом под стеклом не должно быть пузырьков воздуха.

Если сразу не удается избежать попадания воздуха под стекло, его снимают, насухо вытирают, трубку доливают раствором до появления выпуклого мениска, снова закрывают стеклом и навинчивают гайку. У заполненной трубки протирают до блеска покрывные стекла кусочками фильтровальной бумаги, трубку просматривают на свет, проверяя прозрачность и отсутствие пузырьков воздуха. После этого ее помещают в камеру поляриметра и наблюдают через зрительную трубу поле зрения. Сахарный раствор поворачивает плоскость поляризации света, вследствие чего полутеневое положение нарушается и одна половина поля зрения становится темной. Вращая рукоятку кремальерной передачи, добиваются выравнивания освещенности и окраски обеих половинок поля зрения.

Если при измерении вращения бесцветных или слабоокрашенных растворов при установке на полутень оттенки обеих половин поля зрения получаются одинаковыми, то работают с матовым стеклом. Если же при этом окраска половинок поля зрения несколько различается (имеется слегка желтоватый или голубоватый оттенок), то в оптическую систему вводят желтый светофильтр. При работе с темноокрашенными растворами обойму ставят в положение без обозначения, соответствующее максимальной интенсивности освещения поля зрения.

После установки поля зрения на полутень делают отсчет по шкале при помощи нониуса. Точность установки на полутень, а следовательно, и точность измерения зависят от опытности и субъективных особенностей светового восприятия наблюдателя. Поэтому при анализе одного и того же раствора двумя исполнителями могут получаться разные результаты. К тому же при большом числе измерений глаза быстро утомляются, острота восприятия снижается и воспроизводимость измерений падает.

Эти недостатки визуальных поляриметров устранены в автоматических фотоэлектрических поляриметрах. Автоматический фотоэлектрический поляриметр имеет ту же оптическую схему, что и обычные поляриметры. Но поляризованный свет после анализатора направляется не в зрительную трубу, как в визуальных поляриметрах, а на фотоэлемент, который преобразует его в фототок. Фототок посылается на электродвигатель, который перемещает шкалу до полной компенсации угла вращения анализируемого раствора. В этот момент электродвигатель останавливается. Таким образом, автоматические поляриметры дают более объективные и воспроизводимые результаты определения, а также облегчают труд химика.

Основной недостаток поляриметрического метода заключается в его неспецифичности: им нельзя определить один какой-нибудь сахар при наличии других сахаров и оптически активных несахаров. При измерении угла вращения такой смеси получают алгебраическую сумму углов вращения право- и левовращающих веществ. Поэтому, когда нужно найти действительное содержание данного сахара, прибегают к различным сложным приемам, которые сводят на нет главные достоинства метода – его простоту и быстроту. Однако для анализа чистых сахаров этот метод является одним из наиболее быстрых и точных, так как позволяет определить содержание сахара с точностью до 0,02 % и не требует большого разведения раствора, всегда вносящего ошибку в результаты анализа.

7.4. Определение крахмала методом Эверса

Точность определения крахмала зависит от тонкости измельчения материала. При тонком помоле разрываются оболочки клеток крахмал становится доступным воздействию применяемых реактивов. Для получения сравнимых результатов анализа необходимо брать пробы с одинаковой степенью измельчения, проверяя ее просеиванием через сито с известным размером отверстий. Измельчение материала производится на дисковых мельницах. Картофель можно измельчать также на терке.

Для определения содержания крахмала по величине угла поворота плоскости поляризации его предварительно растворяют соляной кислотой или хлоридом кальция.

Хлорид кальция как растворитель действует избирательно, растворяя только крахмал, причем крахмал при нагревании с этим растворителем не гидролизуется, поэтому его содержание можно определить с достаточной точностью. Однако раствор получается очень вязкий, долго фильтруется, а фильтрат имеет сильную опалесценцию, что затрудняет его использование.

Основным стандартным методом определения крахмала при оценке качества зерна в нашей стране принят метод Эверса, основанный на растворении крахмала кипячением со слабым раствором соляной кислоты. При нагревании с соляной кислотой даже низкой концентрации (около 1 %) происходит не только растворение, но и частичный гидролиз крахмала, белков, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, поэтому получаемый раствор представляет собой сложный конгломерат, состоящий из 70…80 % крахмала и декстринов, 5…15 % пентозанов, 14…18 % моно- и олигосахаридов и неосаждаемых азотистых веществ. Удельное вращение декстринов и всех примесей ниже, чем крахмала, а некоторые примеси (фруктоза, некоторые амино- и оксикислоты) имеют левое вращение. Поэтому угол поворота плоскости поляризации в таком растворе всегда меньше, чем в растворе чистого крахмала. Так как крахмал, полученный из разных культур, различается по физико-химическим свойствам и при нагревании с соляной кислотой гидролизуется в различной степени, то и удельное вращение для разных культур получается различным.

Перед анализом пробу зерна измельчают так, чтобы помол полностью проходил через проволочное сито с размерами ячеек в свету 0,8 мм (для помола кукурузы – 0,5 мм). На анализ берут точно 5 г помола. Угол поворота плоскости поляризации измеряют на сахариметре в трубке длиной 200 мм (для овса – 100 мм). Содержание крахмала в навеске (в 1 г на 100 мл) рассчитывают по формуле

С = , (7.8)

где 0,3462 – коэффициент перехода от дуговых градусов к градусам сахарной шкалы.

По Эверсу, величина удельного вращения [α] ( в дуговых градусах) крахмала риса составляет 185,9; кукурузы – 184,6; ржи – 184,0; пшеницы – 182,7; ячменя – 181,5; овса – 181,5; картофеля – 194,5. При навеске 5 г содержание крахмала (в процентах)

К = С = . (7.9)

Кроме , в уравнении (7.9) все остальные величины являются постоянными для данной культуры. Поэтому уравнение может быть упрощено:

К = К_Э , (7.10)

где К_Э – коэффициент Эверса (при трубке с d = 200 мм он составляет для риса – 1,866; кукурузы – 1,879; ржи – 1,885; пшеницы – 1,898; ячменя – 1,912; овса – 1,914 и картофеля – 1,775). При использовании трубки длиной d = 100 мм показания сахарометра умножают на 2. При использовании поляриметров с показаниями в дуговых градусах показания необходимо разделить на 0,3462.

Ход определения. 30…40 г зерна очищают от сорной примеси и размалывают до указанных выше размеров частиц. Помол высыпают на доску, хорошо перемешивают и укладывают ровным слоем. Из разных мест слоя штапелем отбирают навеску 5 ± 0,01 г муки в предварительно взвешенный стаканчик. Навеску без потерь переносят в сухую колбу Кольрауша. Определение крахмала ведут в двух параллельных пробах и одновременно отбирают две пробы для определения влажности помола.

Пипеткой отмеривают 25 мл раствора соляной кислоты (24,9 мл соляной кислоты относительной плотности 1,19 разбавляют дистиллированной водой до 1 л) и небольшими порциями при встряхивании смачивают ими муку в колбе. Снова отмеривают 25 мл раствора соляной кислоты, смывают ею крупинки со стенок колбы, содержимое колбы осторожно круговыми движениями перемешивают и колбу погружают в кипящую водяную баню. В течение 3 мин содержимое колбы круговыми движениями непрерывно перемешивают, а затем колбу закрепляют при помощи лапки штатива так, чтобы вода доходила до ее горла. Через 15 мин от начала погружения колбу вынимают, вливают в нее 25…30 мл холодной дистиллированной воды и затем охлаждают водопроводной водой до 20 °С. Для осаждения белков в колбу добавляют 5 мл раствора молибдата аммония, объем доводят до метки дистиллированной воды, перемешивают и фильтруют через сухой складчатый фильтр в сухую колбу. Первые 10…20 мл мутного фильтрата отбрасывают. Прозрачным фильтратом два–три раза ополаскивают поляриметрическую трубку, затем заполняют ее и немедленно поляриметрируют, так как фильтрат быстро мутнеет.

Содержание крахмала в продуктах (в пересчете на сухое вещество) рассчитывают по формуле

К_с = , (7.11)

где W – влажность муки, %; К_Э – коэффициент Эверса.

Метод Эверса простой и быстрый, позволяет получать воспроизводимые результаты с достаточной точностью, поэтому он широко применяется в контроле ряда отраслей пищевых производств.

8. Колориметрия

Колориметрия – метод измерения выхода продукта колориметрической реакции (реакции, в результате которой из бесцветных продуктов возникает окрашенный) по поглощению света в видимой части спектра. Затем к колориметрии стали относить измерение поглощения света любыми окрашенными веществами при помощи упрощенных приборов, в которых определенные участки видимого света выделялись при помощи светофильтров. Разработан ряд специальных фильтров, в частности интерференционных, для ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра и созданы упрощенные фотометры с их использованием. Работы, связанные с измерением поглощения света при помощи таких фотометров или абсорбциометров, часто относят к разделу колориметрии. По способу регистрации световых потоков различают методы визуальной колориметрии и фотоэлектрической. Целью колориметрии является определение концентрации растворов, а в некоторых случаях – анализ многокомпонентных систем.

В основе количественного определения лежит закон поглощения – закон Бургера–Ламберта–Бера. Однако пределы его применимости более ограничены, чем при спектральном анализе. Отклонения от закона в этом случае обусловлены в большей степени условиями измерения, т. е. соотношением ширины полосы поглощения и области пропускания фильтра. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем больше интервал линейной зависимости измеряемой оптической плотности от концентрации и шире возможности метода.

8.1. Визуальные методы

Визуальные методы основаны на сравнении интенсивности окраски исследуемого и стандартного растворов. Наиболее простым является метод стандартной шкалы, состоящей из растворов вещества известной концентрации. Концентрация анализируемого раствора принимается равной концентрации стандартного раствора, не отличающегося от него по своей окраске. Сравнение производят при одинаковых условиях освещения в эквивалентных пробирках при не слишком высокой интенсивности окраски растворов. Более совершенным является определение концентрации раствора при помощи концентрационных колориметров. Принцип их действия основан на выравнивании интенсивности поглощения света окрашенными растворами путем изменения толщины поглощающего слоя.

При соблюдении основного закона поглощения можно, зная концентрацию стандартного раствора С_ст и измерив толщины слоев, вычислить концентрацию анализируемого раствора С_х по уравнению

, (8.1)

где d_cт и d_x – толщина слоев стандартного и анализируемого растворов.

Принципиальная схема визуального колориметра такова: рассеянный дневной свет или свет от специального осветителя направляется двумя потоками через два одинаковых стакана с исследуемым и стандартным растворами. Свет проходит через стеклянные столбики, уровень погружения которых в стаканы определяет толщину слоя раствора, и при помощи специальной призмы освещает две половины поля зрения. Правая полови- на поля зрения освещается потоком, проходящим через левый стакан, а левая – проходящим через правый стакан. Меняя толщину слоя, т. е. опуская или поднимая стеклянные столбики (в некоторых приборах – перемещая стаканы относительно неподвижных столбиков), можно уравнять интенсивность окраски полей. Измерения обычно производят при толщине слоев не менее 5 и не более 30 мм. Толщину слоев измеряют по шкале при помощи нониусов. Точность отсчета ±0,1 мм.

Если встречаются затруднения в приготовлении растворов известной концентрации (растворы пигментов в растворителе), то в качестве стандартного выбирают раствор другого вещества, близкий по спектру (цвету) к измеряемому. Для этого раствора произведение концентрации на толщину слоя должно оставаться постоянным в широком интервале изменения концентрации и толщины слоя. Толщина слоя анализируемого раствора обычно остается постоянной. Для проведения измерений лучше пользоваться колориметрами, имеющими набор фильтров.