Ćwiczenie 71 I 72 pomiar wspóŁczynnika załamania światła I refrakcji



Pobieranie 42.51 Kb.
Data05.05.2016
Rozmiar42.51 Kb.
Ćwiczenie 71 i 72
POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA I REFRAKCJI
Cel ćwiczenia: określenie składu roztworu na podstawie pomiarów refrakcji.
Przejściu światła przez granicę faz mogą towarzyszyć dwa zjawiska: odbicie
i załamanie. Światło, przechodząc z ośrodka optycznie rzadszego (ośrodek I na rysunku) do optycznie gęstszego (ośrodek II na rysunku), ulega załamaniu i promień świetlny w ośrodku gęstszym odchyla się w kierunku normalnej

Zjawisko załamania (a) i całkowitego wewnętrznego odbicia światła (b)

1 - promień padający, 2 - promień załamany, 3 - promień odbity

W stałej temperaturze stosunek sinusów kąta padania i załamania jest wielkością stałą, nazywaną współczynnikiem załamania światła n (prawo Snelliusa). Współczynnik załamania światła odpowiada stosunkowi prędkości światła v1


w ośrodku optycznie rzadszym do prędkości światła v2 w ośrodku optycznie gęstszym.

(1)

Wartość współczynnika załamania światła n zależy od długości fali. Najczęściej jest wyznaczany dla monochromatycznego światła sodowego o długości fali  = 589,3 nm.

Gdy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego kąt załamania jest większy od kąta padania. W takich warunkach może wystąpić zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia (rysunek 1b). Dla pewnego kąta padania kąt załamania w ośrodku optycznie rzadszym przyjmuje wartość =900, a załamany promień światła w ośrodku optycznie rzadszym jest równoległy do granicy ośrodków. Kąt , dla którego występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, nazwano kątem granicznym gr. Wyznaczenie kąta granicznego umożliwia wyznaczenie współczynnika załamania światła z zależności:

(2)

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia jest wykorzystywane


w refraktometrach do pomiaru współczynnika załamania n.

Współczynnik załamania światła zależy od temperatury, natomiast jego funkcje, refrakcja właściwa r i molowa R, zdefiniowane równaniami (3) i (4), w których oznacza gęstość cieczy, natomiast M jest jej masą molową, są wielkościami addytywnymi i nie zależą od temperatury:


(3)

(4)

Refrakcja właściwa i molowa określają objętość, zbliżoną do rzeczywistej, zajmowanej przez 1 gram lub 1 mol cieczy. Addytywność refrakcji molowej pozwala na obliczenie wartości R jako sumy refrakcji atomów i wiązań. Addytywność refrakcji właściwej i molowej pozwala na obliczenie refrakcji roztworu jeżeli znane są refrakcje czystych składników. Refrakcję właściwą rAB roztworu zawierającego składniki A i B można obliczyć z zależności



(5)

w której rA i rB są refrakcjami właściwymi czystych składników, natomiast wA i wB oznaczają ułamki wagowe składników w roztworze (wA + wB = 1). Podobnie można obliczyć refrakcję molową RAB roztworu, znając refrakcje molowe czystych składników RA i RB oraz ułamki molowe składników w roztworze, xA i xB:



(6)

Refrakcję właściwą rAB i molową RAB roztworu można również wyznaczyć doświadczalnie mierząc współczynnik załamania światła nAB oraz gęstość AB roztworu:



(7)
(8)
Jak widać z zależności (5) i (6) refrakcje właściwa rAB i molowa RAB roztworu zmieniają się liniowo ze składem roztworu, co pozwala wykorzystać pomiar współczynnika załamania światła do wyznaczania składu roztworu.


II. Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników.


  1. Zapisać temperaturę, w której są wykonywane oznaczenia.

  2. Przygotować roztwory dwóch cieczy organicznych A i B o stężeniach podanych przez prowadzącego zajęcia

  3. Zmierzyć współczynniki załamania światła czystych cieczy i przygotowanych roztworów (sposób wykonania pomiaru podany jest w instrukcji działania refraktometru).

  4. Wyznaczyć, za pomocą piknometru, gęstości czystych cieczy i sporządzonych roztworów (metoda wyznaczania jest podana niżej).

  5. Wyniki zapisać w tabeli.

T=


Skład roztworu

Gęstość i (g/cm3)

ni

ri













  1. Obliczyć ułamki wagowe składników w roztworach.

  2. Obliczyć refrakcje właściwe czystych cieczy i sporządzonych roztworów. Wyniki zapisać w tabeli.

  3. Sporządzić wykres zależności refrakcji właściwej rAB od ułamka wagowego składnika A, wA.

  4. Zmierzyć współczynnik załamania i gęstość roztworu tych samych cieczy
    o nieznanym składzie. Obliczyć jego refrakcję właściwą rAB.

  5. Wyznaczyć skład tego roztworu, ułamki wagowe składników, na podstawie zależności rAB=f(wA).



Pomiar gęstości cieczy za pomocą piknometru


Piknometr (rys.2) składa się z małej kolbki zamykanej korkiem szklanym
z rurką kapilarną. Na ściance kolbki podana jest jej dokładna objętość.

  1. Zważyć na wadze analitycznej suchy pusty piknometr.

  2. Wyjąć korek z kapilarą, napełnić kolbkę całkowicie badaną cieczą (roztworem).

  3. Wstawić korek. Część cieczy musi wypłynąć przez kapilarę.

  4. Piknometr osuszyć i ponownie zważyć. Różnicę mas piknometru napełnionego i pustego, równą masie cieczy, podzielić przez objętość piknometru.


Rys.2. Schemat piknometru.

1 - korek szklany z rurką kapilarną, 2 - kolbka








Gęstość składników, składnika, g/cm3

T, K

283

293

303

313

Aceton

0,8014

0,7905

0,7793

0,7682

Chloroform

1,5077

1,4890

1,4706

1,4509

CCl4

1,6135

1,5939

1,5748

1,5557

Metanol

0,8008

0,7915

0,7825

0,7740

Octan etylu

0,9120

0,9005

0,8910

0,8762

Toluen

0,8782

0,8670

0,8580

0,8483



BUDOWA I DZIAŁANIE REFRAKTOMETRU ABBEGO


Budowa refraktometru

Refraktometry służą do pomiaru współczynnika załamania światła „n”, zdefiniowanego następującym wzorem:



(1)

gdzie: n - współczynnik załamania światła,  - kąt padania,  - kąt załamania, v1 i v2 - odpowiednio szybkość światła w ośrodku rzadszym i gęstszym.


Najczęściej stosowane są refraktometry Abbego i Pulfricha. Służą one właściwie do pomiaru kąta granicznego gr, przy którym występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Kąt ten jednoznacznie określa wartość współczynnika n zgodnie ze wzorem:

(2)
W rezultacie, po odpowiednim wyskalowaniu, na skali przyrządu odczytuje się współczynnik załamania światła, n, zamiast kąta granicznego.

Refraktometr składa się z następujących części: zwierciadła – Z, pryzmatu – P, składającego się z dwóch połówek – P1 i P2 skierowanych do siebie równolegle płaszczyznami przeciwprostokątnymi, kompensatora – K, soczewki zbierającej – S, okularu – O i skali – Sk. Okular ma wbudowane


w pole widzenia dwa skrzyżowane włókienka. Na rys. 1 podany jest schemat biegu promieni świetlnych w refraktometrze. Pomiędzy pryzmaty P1 i P2 wprowadza się kilka kropli badanego roztworu. Ciecz tworzy między pryzmatami cienką warstwę o równoległych płaszczyznach. W wielu modelach pryzmaty są otoczone płaszczem wodnym, pozwalającym na utrzymanie stałej temperatury.

Wiązka światła (promienie I, II i III) skierowana na pryzmat P1 przechodzi do warstwy badanej cieczy optycznie rzadszej i tutaj promień I zostaje odbity całkowicie, gdyż pada on pod kątem większym od kąta granicznego; nie zdoła on zatem oświetlić pola widzenia obiektywu. Promień II padający pod kątem granicznym, przechodzi przez warstwę cieczy, pryzmat P2 oraz kompensator K dociera do skali Sk. Promień III wpadając pod kątem mniejszym od kąta granicznego przechodzi przez ciecz i pryzmat P2 i również dociera do skali i oświetla ją. Zatem promień I podający pod kątem większym od kata granicznego zostaje odbity i nie oświetla skali, zaś promień III wpadający pod kątem mniejszym od kąta granicznego oświetla skalę.

W pewnej pozycji zwierciadła i położenia pryzmatów, w polu widzenia obiektywu będzie widoczne pole oświetlone i pole ciemne. Promienie wpadające pod kątem granicznym będą stanowiły linię podziału tych pól; przy pomiarze powinna ona przebiegać przez skrzyżowanie dwóch włókien. Granica rozdzielająca pole ciemne i jasne musi być ostra, jeżeli jest niewyraźna i wielobarwna, należy skorygować ją pokrętłem kompensatora K.


Rys. 1. Schematyczny bieg promieni świetlnych w refraktometrze




Refraktometryczny pomiar współczynnika załamania światła

1. Otworzyć pryzmat, za pomocą pipetki nalać kilka kropli badanej cieczy na dolną jego część i szybko zamknąć. Pryzmat musi być zwilżony badaną cieczą na całej powierzchni. W razie potrzeby przed pierwszym pomiarem pryzmat wyczyścić watą nasączoną acetonem.

2. Pokręcając pierścieniem na lunetce prawej ustawić ostrość pola widzenia w okularze dostosowując go do swego wzroku.

3. Za pomocą pokrętła kompensatora znajdującego się z lewej strony przyrządu ustawić pryzmat w takim położeniu, aby w okularze prawej lunetki na granicy skrzyżowania linii pojawiła się ostra granica pól jasnego i ciemnego. Ewentualnie zlikwidować “tęczę” pokręcając mniejszym pokrętłem z prawej strony refraktometru.



Uwaga. Jeżeli uzyskanie wyraźnej granicy pół jasnego i ciemnego nie udaje się, oznacza to, że ciecz w pryzmacie odparowała lub spłynęła. Należy ją ponownie nanieść na pryzmat.

4. Po ustawieniu ostrej granicy rozdziału obu pól na przecięciu dwóch linii należy w lunetce lewej odczytać na skali przyrządu współczynnik załamania światła z dokładnością do 0,0001. Ostrość widzenia skali można poprawić pokręcając pierścieniem na lewej lunetce.



Rys. 2. Refraktometr Abbego: a. aparat, b. pole ciemne i jasne,

c. skala widziana w okularze.




©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna