Задачи.

1.Рассчитать критический угол падения i_с, если свет проходит из среды с показателем преломления п₁ = 1, 52 в воздушную среду (п₂ = 1, 00).

2.Световые лучи падают на плоскопараллельную пластину с показателями преломления п₂ = 1, 52 под углом i = 600. Если эта пластинка толщиной 10, 0 мм окружена воздушной средой (п1 = 1, 00) рассчитать угол, под которым световые лучи выходят из пластинки. (Нарисовать рисунок).

3.На пути луча света перпендикулярно ему поставлена стеклянная пластинка (п = 1, 5) толщиной l = 1 мм. На сколько при этом изменится оптическая длина пути?

4.Желтому свету натрия соответствует длина волны в воздухе 589 ммк. Определить длину волны этого же света в кедровом масле, показатель преломления которого 1, 52.

5.Предельный угол полного внутреннего отражения для скипидара на поверхности скипидар – воздух составляет 420 23¢. Определить скорость распространения света в скипидаре.

Лабораторная работа №15

Исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации. Определение концентрации раствора с помощью рефрактометра.

Цель: Изучить устройство и принцип работы рефрактометра, определить зависимость показателя преломления раствора от концентрации, определить молярную рефракцию сахара. Построить график и определить, методом графического определения, коэффициенты калибровочного графика. Найти неизвестную концентрацию вещества.

Оборудование:

1. Рефрактометр портативный «Карат-МТ»

2. Шесть кювет с жидкостями: одна кювета с дистиллированной водой, остальные пять с растворами сахарозы, при чем из пяти растворов четыре – известной концентрации, один - неизвестной концентрации.

3. Шесть пипеток.

4. Салфетки.

5. Набор ареометров.

6. Сосуд для измерения плотности растворов.

7. Таблицы плотностей органических веществ.

Описание прибора и принцип действия:

Принцип действия основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления. На рефрактометре можно исследовать вещества с показателем преломления от 1.3 до 1.5.

Все измерения проводят в «белом» свете (дневном или искусственном).

Показатель преломления прозрачных сред определяют в проходящем свете, а полупрозрачных и мутных – в отраженном.

Свет проходит осветительную призму 3, рассеивается матовой гранью призмы и поступает в исследуемую жидкость, преломляется на границе ее с измерительной призмой 2 (рис.1).Затем попадает на зеркало 1 и, отклоняясь, проходит компенсатор дисперсии (призмы прямого зрения 4, 5, 6), объектив (линзы 7, 8 ), призму 10, сетку 11, шкалу 9и через окуляр (линзы 12, 13, 14, 15 ) попадает в глаз наблюдателя.

Наблюдая в окуляр (линзы 12, 13, 14, 15 ), совмещают границу светотени со штрихом сетки 11, разворачивая зеркало 1 и жестко связанную с ним шкалу 9, снимают с этой шкалы отсчет величины показателя преломления.

Для ахроматизации границы светотени служит компенсатор дисперсии, который вращается вокруг оптической оси.

Основные узлы рефрактометра смонтированы в прямоугольном металлическом корпусе. Снаружи корпуса установлены рефрактометрическая головка 1 (рис.2), каретка 8, упор 5, выведены маховички компенсатора «К» 6и измерения «И» 7, на задней стенке – термометр. Корпус закрыт крышкой 4, на которой смонтирован окуляр 3.

Рис.1 Оптическая схема рефрактометра «Карат–МТ»

Рефрактометрическая головка (1) (рис.2) состоит из двух частей: верхней и нижней. Нижняя неподвижная часть – является измерительной, а верхняя осветительной призмой. Осветительная призма откидывается примерно на 172.° При подъеме осветительной призмы утапливается ручка (2). С помощью каретки 8 рефрактометрустанавливают на направляющую 9футляра 11.

С помощью упора 5и отвертки осуществляется подъюстировка, т. е. перемещение объектива (линзы 7, 8, см. рис.1) в нужную сторону при выставлении начала отсчета.

Маховичком «К» 6(см. рис.2 ) поворачивают компенсатор дисперсии с целью устранения ахроматизации границы светотени, наблюдаемой в окуляр, а маховичком измерения «И» 7 разворачивают зеркало со шкалой с целью нахождения границы раздела светотени и совмещения ее со штрихом сетки.

Рис.2. Внешний вид рефрактометра «Карат-МТ»

При помощи измерений на рефрактометре определяют молекулярную рефракцию вещества.

Молекулярная рефракция. В самом общем виде зависимость некоторой функции – показателя преломления от плотности вещества может быть выражена следующим образом: f(n)=rr, где r – коэффициент пропорциональности, называемый удельной рефракцией.

На основании теории о поляризации атомов и молекул веществ (диэлектрика) в электрическом поле можно показать, что f(n) имеет вид

, тогда

м³/кг

Данное уравнение является формульным выражением закона Лоренц-Лоренца.

Можно также доказать, что для данного вещества с молекулярной массой М значение удельной рефракции r прямо пропорционально поляризуемости a:

,

где N_A – число Авогадро. С качественной точки зрения поляризуемость – мера того, насколько легко может быть возмущено исходное распределение плотности атома или молекулы внешним электрическим полем. Измеряется в м³.

Умножение удельной рефракции на молекулярную массу дает значение молекулярной рефракции R, м³/кмоль:

, или .

Из последнего выражения можно сделать весьма важный вывод: молекулярная рефракция R зависит только от поляризуемости a, которая определяется природой вещества, не зависит от температуры, давления, внешних факторов и агрегатного состояния вещества.

Молекулярная рефракция – аддитивная величина атомных рефракций, например:

.

Удельную рефракцию используют при работе с растворами. Для раствора А в растворителе В удельная рефракция равна , где r_A+B, r_A и r_B – удельные рефракции раствора, растворенного вещества А и растворителя В; х – весовая доля вещества А в растворе (определяется концентрацией с раствора, т.е. такого раствора, в котором концентрация с весовых частей вещества приходится на сто весовых частей раствора). Подставив вместо удельных рефракций, значения показателей преломления получим

где n_A, n_B и n_A+B – показатели преломления вещества А, В и раствора; r_А, r_В и r_А+В – соответственно их плотности.

Ход работы:

Юстировка прибора:

Перед началом работы проверьте юстировку рефрактометра по контрольному образцу или по дистиллированной воде.

1.1.На измерительную призму нанесите несколько капель дистиллированной воды и опустите осветительную призму. Запишите температуру призмы по термометру встроенному в прибор. Наведите окуляр на резкость (отчетливо виден штрих). Поворотом рефрактометра к свету добейтесь наилучшей освещенности шкалы и штриха.

1.2. Маховичок измерений «И» вращайте до тех пор, пока в поле зрения не появится граница светотени.

1.3. Поворотом маховичка компенсатора дисперсии «К» устраните окраску границы светотени.

1.4. Совместите неподвижный штрих сетки 11 с границей светотени и снимите отсчет по шкале. При правильной юстировке рефрактометра максимальный или повторяющийся отсчет должен соответствовать значению n_о дистиллированной воды при данной температуре.

1.5. Отсчет повторите три раза.

1.6. Найдите среднее значение показателя преломления.

Таблица 1

Измерение показателя преломления данного раствора:

2.1. Нанесите исследуемый образец на измерительную призму

2.2.Вращением маховичка «И»введите в поле зрения окуляра границу светотени.

2.3. Вращайте маховичок компенсатора «К» до исчезновения окраски граничной линии.

2.4. Наблюдая в окуляр, маховичком «И» переместите границу светотени точно на линию штриха и снимите отсчет. Целые, десятые, сотые, тысячные доли отсчитывайте по шкале, десятитысячные – на глаз.

2.5. Снимите показания для разных концентраций раствора и запишите в таблицу.

2.6. Поверните осветительную призму рефрактометра и промойте как осветительную поверхность, так и поверхность измерительной призмы, после промывки подержите головку некоторое время открытой для просушки.

2.7.Постройте график зависимости показателя преломления n_ср растворов от их концентрации С%. По калибровочному графику определите коэффициенты графика.