Показатель преломления — таблицы электронного справочника по химии, содержащие Показатель преломления

Лабораторная работа № 62

Показатель преломления - таблицы электронного справочника по химии, содержащие Показатель преломления

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
 РАСТВОРА САХАРА ОТ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ

Цель работы: Изучение рефрактометра и измерение с его помощью показателя преломления ряда жидкостей относительно воздуха; нахождение зависимости показателя преломления раствора сахара от его концентрации.

Приборы и принадлежности: рефрактометр, набор исследуемых жидкостей с различными показателями преломления и растворов сахара с разными концентрациями.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно (по прямым линиям).

Закон этот встречается в сочинении по оптике, приписываемом Евклиду (300 лет до нашей эры), но, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона служат наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощи малых отверстий. Отступления от закона прямолинейного распространения света рассматриваются в учении о дифракции.

2. Закон независимости световых пучков: распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть в ней другие пучки света или нет.

Этот закон необходимо дополнить утверждением, определяющим совместное действие световых пучков при их наложении друг на друга.

Оно состоит в том, что освещенность экрана, создаваемая несколькими световыми пучками, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым пучком в отдельности. Нарушения справедливости этого утверждения имеют место в явлениях интерференции света.

3. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем угол отражения  равен углу падения  (рис. 1). Этот закон был известен еще грекам.

4. Закон преломления, который мы рассмотрим более подробно. Этот закон был установлен экспериментально в 1621 году голландским ученым Снеллиусом (1580–1626) и опубликован после его смерти.

Согласно закону преломления Снеллиуса, падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данных сред:

 ,                                                   (1)

где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Индексы в обозначениях углов , , , указывают, в какой среде (первой или второй) идет луч.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

  .                                                          (2)

Абсолютным показателем преломления среды называется величина n, равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости  в среде:

 .                                                            (3)

Показатель преломления принадлежит к числу немногих констант, которые можно измерить с очень высокой точностью и малой затратой времени, располагая лишь небольшим количеством вещества. Для этого используются приборы – рефрактометры.

Один из первых рефрактометров был создан в середине
XVIII века. Ломоносов назвал его «квадрантом, придуманным
для определения преломлений в химических телах». Термин «рефракция» был введен в науку Ньютоном в его книге «Оптика» в начале XVIII века.

В наше время рефрактометр является обязательной принадлежностью многих исследовательских и производственных лабораторий. Рефрактометрические методы широко применяются в химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой промышленности, в геологии, в сельском хозяйстве для контроля качества зрелости плодов, овощей, семян.

В биологических, химических и физических лабораториях рефрактометры применяются для исследования эфирных масел, стекол, жиров, крови, жидкого топлива, смазочных масел, различных растворов и т.д.

Простота и доступность измерений в сочетании с высокой точностью позволяет рефрактометрическим методам сохранить свое значение в будущем.

С помощью рефрактометрических измерений обычно определяют относительный показатель преломления вещества, т.е. этот показатель относительно воздуха лабораторного помещения. Если требуется знать абсолютный показатель преломления вещества, то его находят по формуле

 ,                                                   (4)

где nвозд – абсолютный показатель преломления воздуха (nвозд = 1,00029 при Т = 273 К, Р = 1,01·105 Па для длины волны λ = 589,3 нм); n – показатель преломления вещества, полученный при рефрактометрическом измерении при таких же температуре Т, давлении Р и длине волны λ.

Для рефрактометрического анализа разбавленных растворов, концентрации которых лежат в пределах от 0 до 30 %, большое значение имеет уравнение

,                                                      (5)

где n– показатель преломления раствора; n0– показатель преломления чистого растворителя; С – концентрация раствора; k – эмпирический коэффициент, называемый инкрементом показателя преломления.

Определив с помощью рефрактометра n, n0  и зная С, можно найти аналитическую зависимость показателя преломления раствора от его концентрации.

В большинстве рефрактометров показатели преломления определяются методом предельного угла. В основе этого метода лежит явление полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например, из воды в воздух. Среда с показателем преломления n2 называется оптически более плотной, чем с показателем преломления n1, если n2 >n1.

Пусть луч света выходит из воды в воздух (рис. 2, а).

С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 2, б, в). Происходит это до тех пор, пока при некотором угле падения (i1 = iпр) угол преломления не окажется равным π/2. Угол падения iпр называется предельным углом. При углах падения i1 >iпр весь падающий свет полностью отражается (рис. 2, г).

По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет
(рис. 2, а–в).

Если i1 = iпр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 2, г), т.е.

луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением.

По закону преломления

,                                            (6)

где n1 – показатель преломления воды; n2 – показатель преломления воздуха.

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью формулы (6) определить показатель преломления второй среды.

Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны оптически менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может составлять с нормалью углы, расположенные в интервале от нуля до iпр; предельный угол преломления iпр соответствует углу падения, равному 90° (скользящий луч).

По закону преломления

.                                            (7)

Из формулы (7) следует, что

,

т.е. величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (6).

При измерении показателя преломления с помощью рефрактометра УРЛ-1 можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

В данной работе используется рефрактометр УРЛ-1, внешний вид которого представлен на рис. 3.

Основными частями рефрактометра являются: основание 1, корпус 2, измерительная головка с камерами 3 и 6, осветитель 4, термометр 5, лимб компенсации дисперсии 7, пробка 8, шкала 9, рукоятка 11, механизм настроечный 12, зрительная труба 10 с отсчетным устройством (см. рис. 3). В нижней камере 3 измерительной головки расположена измерительная призма, а в верхней камере 6 – осветительная (рис. 4).

Призмы изготовлены из тяжелого стекла (флинта), показатель преломления которого больше 1,7. Исследуемый раствор помещают между плоскостями АВ и АВ′ этих призм.

Пучок света от осветителя, пройдя через грань АС′ осветительной призмы АВС′, падает на ее грань АВ′.

Так как эта грань (АВ′) матовая, то она рассеивает свет в жидкости по всем направлениям, и часть лучей падает на грань АВ измерительной призмы АВС под различными углами.

Наибольший возможный угол падения лучей 1, 2, 3 на грань АВ равен 90°, следовательно, луча с еще большим углом падения быть не может. Этот скользящий по границе АВ луч 3 (см. рис.

4), идущий из исследуемой жидкости с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления – в призму АВС, преломляется в ней (как это следует из принципа обратимости светового луча) под предельным углом i полного внутреннего отражения. Все остальные лучи, например, второй и первый, падающие на грань АВ под углом, меньше 90°, преломляются в призме под углом, меньше предельного i.

Сводная таблица: Коэффициенты преломления оптических стекол, жидкостей, воды, газов, кристаллов и кварца

Показатель преломления - таблицы электронного справочника по химии, содержащие Показатель преломления

В справочной таблице даны значения коэффициента преломления некоторых кристаллов при 18° С для лучей видимой части спектра, длины волн которых отвечают определенным спектральным линиям. Элементы, которым принадлежат эти линии, указываются; указаны также приближенные значения длин волн λ этих линий в единицах Ангстрема

λ (Å) Известковый шпат Плавиковый шпат Каменная соль Сильвин
обыкн. л. необыкн. л.
6708 (Li, кр. л.) 1,6537 1,4843 1,4323 1,5400 1,4866
6563 (Н, кр. л.) 1,6544 1,4846 1,4325 1,5407 1,4872
6438 (Cd, кр. л.) 1,6550 1,4847 1,4327 1,5412 1,4877
5893 (Na, ж. л.) 1,6584 1,4864 1,4339 1,5443 1,4904
5461 (Hg, з. л.) 1,6616 1,4879 1,4350 1,5475 1,4931
5086 (Cd, з. л.) 1,6653 1,4895 1,4362 1,5509 1,4961
4861 (Н, з. л.) 1,6678 1,4907 1,4371 1,5534 1,4983
4800 (Cd, с. л.) 1,6686 1,4911 1,4379 1,5541 1,4990
4047 (Hg, ф. л) 1,6813 1,4969 1,4415 1,5665 1,5097

Таблица 2. Коэффициенты преломления оптических стекол

В таблице даны значения коэффициентов преломления линий С, D и F, длины волн которых приближенно равны: 0,6563 μ (мкм), 0,5893 μ и 0,4861 μ.

Оптические стекла Обозначение nD nF
Боросиликатный крон 516/641 1,5139 1,5163 1,5220
Крон 518/589 1,5155 1,5181 1,5243
Легкий флинт 548/459 1,5445 1,5480 1,5565
Баритовый крон 659/560 1,5658 1,5688 1,5759
— || — 572/576 1,5697 1,5726 1,5796
Легкий флинт 575/413 1,5709 1,5749 1,5848
Баритовый легкий флинт 579/539 1,5763 1,5795 1,5871
Тяжелый крон 589/612 1,5862 1,5891 1,5959
— || — 612/586 1,6095 1,6126 1,6200
Флинт 512/369 1,6081 1,6129 1,6247
— || — 617/365 1,6120 1,6169 1,6290
— || — 619/363 1,6150 1,6199 1,6321
— || — 624/359 1,6192 1,6242 1,6366
Тяжелый баритовый флинт 626/391 1,6213 1,6259 1,6379
Тяжелый флинт 647/339 1,6421 1,6475 1,6612
— || — 672/322 1,6666 1,6725 1,6874
— || — 755/275 1,7473 1,7550 1,7747

Таблица 3. Коэффициенты преломления кварца в видимой части спектра

В справочной таблице даны значения коэффициентов преломления лучей обыкновенного (n0) и необыкновенного (ne) для интервала спектра приближенно от 0,4 до 0,70 μ.

λ (μ) n0 ne Плавленый кварц
0,404656 1,557356 1,56671 1,46968
0,434047 1,553963 1,563405 1,46690
0,435834 1,553790 1,563225 1,46675
0,467815 1,551027 1,560368 1,46435
0,479991 1,550118 1,559428 1,46355
0,486133 1,549683 1,558979 1,46318
0,508582 1,548229 1,557475 1,46191
0,533852 1,546799 1,555996 1,46067
0,546072 1,546174 1,555350 1,46013
0,58929 1,544246 1,553355 1,45845
0,643874 1,542288 1,551332 1,45674
0,656278 1,541899 1,550929 1,45640
0,706520 1,540488 1,549472 1,45517

Таблица 4. Коэффициенты преломления жидкостей

В таблице даны значения коэффициентов преломления n жидкостей для луча с длиной волны, приближенно равной 0,5893 μ (желтая линия натрия); температура жидкости, при которой производились измерения n, указывается.

Жидкость t (°С) n
Аллиловый спирт 20 1,41345
Амиловый спирт (Н.) 13 1,414
Анизол 22 1,5150
Анилин 20 1,5863
Ацетальдегид 20 1,3316
Ацетон 19,4 1,35886
Бензол 20 1,50112
Бромоформ 19 1,5980
Бутиловый спирт (н.) 20 1,39931
Глицерин 20 1,4730
Диацетил 18 1,39331
Ксилол (мета-) 20 1,49722
Ксилол (орто-) 20 1,50545
Ксилол (пара-) 20 1,49582
Метилен хлористый 24 1,4237
Метиловый спирт 14,5 1,33118
Муравьиная кислота 20 1,37137
Нитробензол 20 1,55291
Нитротолуол (Орто-) 20,4 1,54739
Паральдегид 20 1,40486
Пентан (норм.) 20 1,3575
Пентан (изо-) 20 1,3537
Пропиловый спирт (норм.) 20 1,38543
Сероуглерод 18 1,62950
Толуол 20 1,49693
Фурфурол 20 1,52608
Хлорбензол 20 1,52479
Хлороформ 18 1,44643
Хлорпикрин 23 1,46075
Четыреххлористый углерод 15 1,46305
Этил бромистый 20 1,42386
Этил йодистый 20 1,5168
Этилацетат 18 1,37216
Этилбензол 20 1.4959
Этилен бромистый 20 1,53789
Этиловый спирт 18,2 1,36242
Этиловый эфир 20 1,3538

Таблица 5.  Коэффициенты преломления водных растворов сахара

В таблице ниже даны значения коэффициентов преломления n водных растворов сахара (при 20° С) в зависимости от концентрации с раствора (с показывает весовой процент сахара в растворе).

с (%) n с (%) n
0 1,3330 35 1,3902
2 1,3359 40 1,3997
4 1,3388 45 1,4096
6 1,3418 50 1,4200
8 1,3448 55 1,4307
10 1,3479 60 1,4418
15 1,3557 65 1,4532
20 1,3639 70 1,4651
25 1,3723 75 1,4774
30 1,3811 80 1,4901

Таблица 6. Коэффициенты преломления воды

В таблице даны значения коэффициентов преломления n воды при температуре 20° С в интервале длин волн приближенно от 0,3 до 1 μ.

λ (μ) n λ (μ) n λ (c) n
0,3082 1,3567 0,4861 1,3371 0,6562 1,3311
0,3611 1,3474 0,5460 1,3345 0,7682 1,3289
0,4341 1,3403 0,5893 1,3330 1,028 1,3245

Таблица 7. Коэффициенты преломления газов таблица

В таблице даны значения коэффициентов преломления n газов при нормальных условиях для линии D, длина волны которой приближенно равна 0,5893 μ.

Газ n
Азот 1,000298
Аммиак 1,000379
Аргон 1,000281
Водород 1,000132
Воздух 1,000292
Гелин 1,000035
Кислород 1,000271
Неон 1,000067
Окись углерода 1,000334
Сернистый газ 1,000686
Сероводород 1,000641
Углекислота 1,000451
Хлор 1,000768
Этилен 1,000719
Водяной пар 1,000255

Источник информации: КРАТКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК/ Том 1, — М.: 1960.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.