Физические методы рефракции. Показатель преломления в воде с сахаром. Изображение на диаграмме

ВВЕДЕНИЕ

В исследованиях, применяемых в различных направлениях деятельности человека используют различные методы, помогающие качественно или количественно оценить исследуемый объект. Физические методы анализа основаны на измерении физических характеристик, находящихся зависимости с индивидуальными химическими свойствами веществ.
Физические методы анализа подразделяют на три группы: спектроскопические, ядерно-физические и радиохимические. Суть этих методов заключается в наблюдении и измерении аналитического сигнала – физического эффекта, возникающего при взаимодействии исследуемого вещества с различными видами излучения.
Целью данной курсовой работы является изучение физического метода исследования, основанного на явлении рефракции на примере раствора воды с сахаром.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
1. Изучить физический смысл явления рефракции;
2. Изучить историю развития рефракционных методов исследований и основу их методологии;
3. Рассмотреть прибор для рефракционных методов исследований и изучить принципиальную схему его устройства;
4. Изучить методику рефрактометрического анализа на примере раствора воды с сахаром.







1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РЕФРАКТОМЕТРИИ.
АКТУАЛЬНОСТЬ МЕТОДА

Рефракцией (от лат. refractus - преломленный) называют явление изменение направления (преломление) луча, которое возникает на границе двух сред при прохождении этого луча через них. Иногда это явление наблюдается водной среде с меняющимися свойствами при разных скоростях распространения волны.
Люди, жившие в древние времена, наблюдали за окружающими их явлениями и уже тогда, имея некоторую математическую базу, пытались вывести законы этих явлений. Документально это подтверждают труды Евклида по оптике, написанные примерно в 300 - м году до н.э., в которых содержится и закон отражения. В "Оптике" Евклида доказано правило "угол падения равен углу отражения", а в труде "Катоптрика" из этого правила выведены законы отражения света от выпуклых и вогнутых зеркал.
Другие ученые также пытались вывести в формулы действующие закономерности через доступные в их времена опыты, геометрические построения и расчеты.
Герон Александрийский при рассматривая отражение света от зеркала доказал, что при равенстве угла падения и угла отражения сумма длин путей, которые проходит падающий луч от глаза до зеркала и отраженный луч от зеркала до объекта, является наименьшим расстоянием из всех возможных.
Арабский оптик Альхазен (Абу Али аль-Хасан ибн аль Хаитам), живший в 965 – 1038 годах, определил, что отношение между углами падения и преломления при изменении угла падения оказывается непостоянным.
Иную и верную формулировку закона наблюдаемых явлений впервые предложил Виллеброрд Снелл ван Ройен (Снеллиус) (1580 – 1626 гг.), - профессор математики из Лейдена. В 1620 г. им было экспериментально установлено, что на границе двух сред световые лучи преломляются так, что произведение показателя преломления на синус угла между нормалью к границе раздела и направлением луча, остается постоянным. Из этого выходило, что для двух данных веществ отношение синусов углов падения постоянно и представляет собой отношения некоторых характеристик этих веществ.
Ранее Рене Декарт (1596–1650 гг.), независимо от Снеллиуса вывел этот закон, а представил его в 1637 году в своем трактате «Диоптрика», в котором также объяснил явление радуги.
После выведения верной формулировки закона преломления важным этапом в становлении метода рефракции стало изучение «преломляющей силы» веществ Ньютоном. В своем труде «Оптика» он истолковывает данных ряда веществ с точки зрения их химических свойств. На основании величин их показателей преломления и плотности он сделал выводы о родстве некоторых веществ до того, как это было доказано химическим путем.
Позже, в середине XVIII в. Академики Леонард Эйлер и его сын Иоганн проводили измерения показателей преломления ряда жидкостей.
Обширная программа М. В. Ломоносов в своих физико-химических исследованиях (начиная с 1756 года) также коснулся опытов по наблюдению за преломлением в жидкостях. В последствии с 1752 по 1762 г он работал над конструкцией и ее усовершенствованием одного из первых рефрактометров, используя для определения преломления квадрант.
Сильное влияние на становление метода рефрактометрии во второй половине XIX в. оказала растущая потребность химической промышленности в удобных методах анализа свойств веществ, а также выявления зависимости между этими свойствами и строением вещества, его составом.
Йенскими профессорами Э. Аббе (1840 - 1905 гг.) и К. Пульфрихом (1858 – 1927 гг.) были разработаны конструкции рефрактометров двух типов, которые лежат в основе современных приборов.
Таким образом совместные усилия ученых разных исторических вех нашей цивилизации - их наблюдения, опыты и математические расчеты - сделали возможным использование существующего в природе явления рефракции в качестве идентификатора веществ и их свойств.
Поскольку этот метод требует малого расхода исследуемого образца и является достаточно быстрым в получении результатов, он остается актуальным.
Возможности метода рефрактометрии позволяют:
- определять строение координационных соединений;
- идентифицировать химические соединения;
- проводить количественный анализ;
- проводить структурный анализ;
- производить контроль степени чистоты и качества вещества в химическом производстве.
В настоящее время рефрактометрия применима и активно используется в следующих направлениях деятельности человека:
1. Пищевое производство – для количественного и качественного анализа состава продуктов, сырья, полуфабрикатов;
2. Химическая промышленность, производство нефтепродуктов –содержание ароматических углеводородов, смол, определение анилиновой точки;
3. Медицина – анализ биологических жидкостей;
4. Фармацевтическая промышленность – контроль качества выпускаемой продукции, применение при разработках новой продукции;
5. Научная деятельность учебных заведений – применение в научно-исследовательской деятельности на этапе лабораторных исследований;
6. Стекольная промышленность - качественный анализ.






2 СУЩНОСТЬ МЕТОДА РЕФРАКТОМЕТРИИ

Рефрактометрия основана на таком взаимодействии потока света (луча) с веществом, при котором луч отклоняется от первоначального направления, переходя из одной среды в другую. При этом, чем больше разница между скоростями распространения света в этих средах, тем больше угол отклонения светового луча. На рис. 2.1 изображена схема явления рефракции, на которой α – угол падения луча, заключенный между направлением луча в «среде 1» и нормалью к плоскости раздела сред, а β − угол преломления, находящийся между направлением луча в «среде 2» и нормалью к плоскости раздела сред.
Угол преломления β меньше угла падения α при условии, что «среда 2» обладает большей преломляющей способностью, чем «среда 1», из которой световой луч переходит в «среду 2».