Показатель преломления в иммерсионном методе находят при качественном сравнении исследуемого вещества с эталонными сре- дами. Чтобы найти показатель преломления, например, каких-либо минеральных зерен или кристаллов, их последовательно рассматри- вают под микроскопом в жидкостях с известными показателями пре- ломления.
Иммерсионный метод широко используется в практике минера- лого-петрографических исследований. Большое значение он имеет для определения состава бинарных изоморфных смесей карбонатов, сульфатов и др., при исследовании продуктов химической техноло- гии. Этот метод позволяет определять состав совместно кристалли- зующихся отдельных твердых фаз, отличать двойные соли от меха- нической смеси солей, различать изомеры и решать другие задачи. Он очень удобен при анализе взрывчатых и ядовитых веществ, так как для анализа требуются ничтожно малые пробы вещества. Однако, не- смотря на ряд бесспорных достоинств, иммерсионный метод сравни- тельно редко применяется в практике аналитических лабораторий.
Приборы для поляриметрических измерений. В любом прибо- ре для поляриметрического анализа (поляриметре) есть поляризатор и анализатор, между которыми находится трубка с анализируемым раствором. Если поляризатор и анализатор установлены так, что их плоскости поляризации параллельны между собой, то в отсутствии анализируемого вещества свет будет беспрепятственно проходить че- рез оба устройства и наблюдаться в зрительную трубу. Если в отсут- ствии анализируемого вещества анализатор повернуть на 90°С, т.е. ориентировать так, что его плоскость поляризации будет перпенди- кулярна плоскости поляризатора, то, поляризованный свет через ана- лизатор проходить не будет. Это положение «на темноту». При вве- дении между поляризатором и анализатором оптически активного анализируемого раствора в зрительной трубе появится свет. Чтобы вновь добиться «темноты», анализатор необходимо повернуть на не- который угол, равный углу вращения плоскости поляризации анали- зируемым веществом. Величина угла вращения может быть непо- средственно прочитана на отчетном устройстве зрительной трубы.
В качестве поляризатора и анализатора обычно используют призму Николя (или просто николь), изготовляемую из исландского шпата (CaCO3). Осветителем часто служит натриевая лампа.
Интересным видоизменением поляриметра является сахариметр, применяемый специально для анализа растворов сахара. В отличие от обычного поляриметра, осветителем в котором служит натриевая лампа или другой источник монохроматического света, в сахариметре для этой цели используется белый немонохроматический свет. При- менение такого осветителя оказалось возможным вследствие случай- ного совпадения вращательной дисперсии кварца и раствора сахара. Раствор сахара вызывает правое вращение плоскости поляризации. Это вращение в сахариметрах компенсируют введением в луч света клина из левовращающего кварца. Вследствие равенства дисперсии оптического вращения кварца и раствора сахара компенсация проис- ходит при всех длинах волн, что и позволяет использовать для осве- щения сахариметров белый свет. Определения на сахариметре харак- теризуются высокой точностью, так как толщину клина можно изме- рить очень точно. Клином называют устройство из двух клинообраз- ных пластинок левовращающего кварца и плоской пластинки право- вращающего. Положение клина часто калибруют в единицах концен- трации, или так называемых международных сахарных градусах (°S). Величине 100 сахарных градусов (100°S) соответствует раствор са- харозы, содержащей 26 г в 100 мл раствора при 20°С и длине труб- ки 2 дм.
В новейших конструкциях поляриметров и спектрополяримет- ров для измерения интенсивности света применяют фотоэлементы и фотоумножители, нередко соединенные с электронным записываю- щим потенциометром. Особую ценность они имеют для исследова- ний в УФ участке спектра, не доступном для визуальных наблюде- ний.
Рефрактометрические и поляриметрические методики анали- за. Рефрактометрические. Разработаны многочисленные методики определения составных частей в двухкомпонентных растворах (вод- ные растворы спиртов, сахара, глицерина, кислот, солей и т.д.). Чем больше разность показателей преломления компонентов, тем более высокой будет точность анализа. Показатели преломления многих технически важных смесей сведены в специальные таблицы, облег- чающие проведение рефрактометрического анализа.
Анализ тройных систем значительно сложнее, так как наряду с измерением показателя преломления обычно приходится определять еще какое-либо свойство системы (плотность, вязкость и т.д.) Боль- шое распространение получил рефрактоденсиметрический метод, ос- нованный на измерении показателя преломления и плотности. При анализе по этому методу строится треугольная диаграмма составов, на которую по экспериментальным данным для стандартных раство- ров наносится сетка изорефракт (линий одинакового показателя пре- ломления) и изоденс (линий одинаковой плотности). По измеренным значениям показателя преломления и плотности анализируемого рас- твора на треугольнике составов находят точку, соответствующую этим величинам. Координаты этой точки прямо указывают на состав анализируемого раствора.
Менее трудоемки такие методы анализа тройных систем, как дисперсиометрический и метод извлечения, основанные на использо- вании только рефрактометрических измерений. В дисперсиометриче- ском методе измеряют показатель преломления при двух длинах волн и на треугольнике составов наносят сетку из изорефракт и линий одинаковой дисперсии. Дальнейшие операции не отличаются от приемов рефрактоденсиометрического метода.
При работе по методу извлечения определяют показатель пре- ломления тройной системы и один из компонентов количественно удаляют подходящим реагентом. Оставшуюся двойную смесь можно проанализировать обычным методом градуировочного графика и да-
лее по треугольной диаграмме установить состав исходного тройного раствора.
Определение всех компонентов в смеси более сложных, чем тройные, рефрактометрически невозможно. Однако вовсе не ред- костью является определение в таких смесях одного-двух компо- нентов.
Поляриметрические. Основу количественных поляриметриче- ских методик составляет уравнение б = будlc, связывающее угол вращения плоскости поляризации с концентрацией раствора. Наи- более часто в практике используется метод градуировочного гра- фика в координатах угол вращения б, концентрация с. Смесь оп- тически активных веществ может быть проанализирована спектро- поляриметрическим методом, т.е. изменением угла вращения при разных длинах волн. Методика этого анализа очень близка к мето- дике спектрофотометрического определения смеси двух окрашен- ных веществ. Расчетные формулы сохраняют свою применимость и в спектрополяриметрическом методе, если молярные коэффици- енты поглощения заменить удельными вращениями, учесть длину трубки и переход к другой концентрационной шкале. Точность анализа возрастает, если одно из анализируемых соединений (а еще лучше оба) в исследуемой области спектра имеют длину вол- ны нулевого вращения, так как при этой длине волны угол враще- ния будет определяться концентрацией только второго компонен- та.
Спектрополяриметрические измерения дают ценную инфор- мацию также о структуре и других свойствах органических и ко- ординационных соединений.
Практическое применение. Рефрактометрический метод ана- лиза применяют в технологическом контроле в пищевой промыш- ленности, в клинических медицинских исследованиях, при анализе кондитерских изделий, молока, масла, различных жиров и т.д. Не- редко показатель преломления включается в ГОСТ как характери- стика качества вещества (например, стирола). Содержание сахара, жиров, белка и т.п. измеряют также поляриметрическим методом. Этот же метод используют в фармацевтических производствах при анализе лекарственных препаратов (например, пенициллина) и парфюмерии.
Контрольные вопросы
1. Что лежит в основе поляриметрического метода анализа?
2. В чем заключается рефрактометрический анализ?
3. Назовите известные вам физические поля.
Практическое применение: начертите схему устройства поляриметра-глюкозиметра.
Лекция №10. НЕФЕЛОМЕТРИЯ И ТУРБИДИМЕТРИЯ
Нефелометрический и турбидиметрический методы применяют для анализа суспензий, эмульсий, различных взвесей и других мут- ных сред. Интенсивность пучка света, проходящего через такую сре- ду, уменьшается за счет рассеивания и других процессов взаимодей- ствия света с взвешенными частицами. Фотометрическое исследова- ние оптически неоднородных мутных жидкостей, состоящих из рас- твора (дисперсионной среды), в котором взвешены мельчайшие твер- дые частицы (дисперсионная фаза), можно выполнять двумя метода- ми - нефелометрии и турбидиметрии.
Теоретические основы. Нефелометрия. Метод основан на ис- пользовании зависимости между интенсивностью света, рассеиваемо- го частицами дисперсной системы, и числом этих частиц. При про- хождении светового потока через светорассеивающую среду частицы этой среды рассеивают свет в различных направлениях с той же дли- ной волны, что и длина волны падающего светового потока. Если размеры R светорассеивающих частиц меньше длины волны л рас- сеиваемого света (R<0,1л), то такое светорассеивание называют рэле- евским рассеянием (в отличие от комбинационного рассеяния света, когда длины волн падающего и рассеянного излучения неодинаковы, или от эффекта Тиндаля, когда свет той же длины волны рассеивается более крупными частицами, чем при рэлеевском рассеянии света).
В нефелометрии интенсивность рассеянного света наблюдают (из- меряют) в направлении, либо перпендикулярном, либо под каким-то уг-
лом по отношению к направлению падающего светового потока. Обыч- но наблюдения и измерения ведут в направлении, перпендикулярном к направлению распространения падающего света.
Интенсивность рэлеевского рассеяния света зависит от природы рассеивающей среды, размеров частиц и их числа, показателей свето- преломления частиц и среды, длины волны и интенсивности падаю- щего света, угла рассеивания. При размерах частиц, существенно меньше длины волны падающего света, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны и описывается уравнением Рэлея:
где I и I0 - соответственно интенсивность рассеянного и падающего света с длиной волны л; F - функция, зависящая от показателей прелом- ления частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды; V - объем час- тицы, принимаемой за сферическую; и - угол между направлениями па- дающего и рассеянного света; N - общее число частиц в рассеивающей среде; R - расстояние от рассеивающей частицы до приемника рассеян- ного излучения (до наблюдателя).
Если нефелометрические измерения проводить в условиях, ко- гда величины F, V, и, л и R остаются постоянными, то тогда уравне- ние (1) можно представить в виде:
где коэффициент пропорциональности k определяется эмпири- чески. В таком случае в соответствии с формулой (2) интенсивность рассеянного света пропорциональна числу рассеивающих частиц N, а при постоянном объеме рассеивающей среды - их концентрации. Со- отношение (2) и лежит в основе нефелометрических определений.
Измерения проводят с использованием специальных приборов - нефелометров или же флуориметров.
Концентрацию определяемого вещества находят либо методом градуировочного графика, построенного на основании измерения ин- тенсивности рассеяния эталонных проб с точно известной концентра- цией определяемого вещества, либо с использованием стандарта. В последнем случае измеряют отношение интенсивностей светорассея- ния стандартного образца с точно известной концентрацией опреде- ляемого вещества и анализируемой пробы:
где символы «s» и «х» относятся к стандартному и анализируе- мому образцам соответственно.
При одинаковом объеме проб стандартного и анализируемого образцов отношение чисел рассеивающих частиц Nx/ Ns равно отно- шению их концентраций сх и сs:
Отсюда:
s
Найдя сх и измерив отношение интенсивностей Ix/ Is, можно рас- считать концентрацию сх определяемого вещества в анализируемом образце.
Турбидиметрия. Метод основан на использовании зависимости между ослаблением интенсивности светового потока, проходящего через светорассеивающую среду, за счет рассеивания света частица- ми этой среды, и их концентрацией. При турбидиметрических изме- рениях через светорассеивающую среду пропускают световой поток с интенсивностью I0, измеряют его интенсивность I после прохождения им светорассеивающей среды. При наличии частиц, рассеивающих свет (рэлеевское рассеяние), очевидно, что I< I0. В таком случае спра- ведливо соотношение:
аналогичное соотношению для основного закона светопоглощения. В выражении (3) величину S, играющую роль оптической плотности, иногда называют мутностью; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от размера рассеивающих частиц, длины волны падающе- го (рассеиваемого) света, коэффициентов светопреломления частиц и среды; с - концентрация светорассеивающих частиц; l - толщина рас- сеивающего слоя; ф=kс - коэффициент мутности, иногда называемый также мутностью.
Уравнение (3) предполагает, что соблюдается формула Рэлея и размер частиц меньше длины волны падающего света (R? 0,1л).
Для измерения мутности S используют обычные фотоэлектроко- лориметры, а также специальные приборы - турбидиметры.
Приборы для нефелометрических и турбидиметрических определений. Пучок света интенсивностью I0 от электрической лам- пы накаливания падает на кювету с анализируемой суспензией или эмульсией и частично рассеивается взвешенными частицами. Интен-