У1. Рефрактометрия

Рефрактометрический анализ основан на измерении показателя преломления (рефракции) веществ, по которому судят о природе веществ, их чистоте или содержании в растворах. Его широко применяют при исследовании таких пищевых продуктов, как жиры, томатные продукты, варенье, джем. Этим методом пользуются также для количественного определения жиров в пищевых продуктах, влажности, содержания спирта в растворе (в сочетании с пикнометрическим методом), для пофазного контроля в процессе производства пищевых продуктов - кондитерских, напитков, некоторых видов консервов и т. д.

Показатель преломления зависит от температуры, поэтому рефрактометрические измерения принято выполнять при 20°С. При отклонении температуры от 20°С вводят соответствующие температурные поправки. Давление также отражается на результатах рефрактометрических измерений. С повышением его показатели преломления увеличиваются.

При работе с раствором следует учитывать, что между показателем преломления и процентным содержанием вещества в растворе не всегда существует прямая зависимость. Поэтому судить о концентрации вещества в растворе по показателю преломления можно только при наличии кривых, выражающих зависимость между этими двумя величинами. В некоторых случаях по показателю преломления невозможно определить содержание вещества в растворе, так как даже при значительных колебаниях концентрации вещества показатель преломления изменяется очень мало (например, для растворов метилового спирта). При наличии в растворе двух веществ только по показателю преломления нельзя судить о состоянии системы. В этом случае требуется знать какие-либо другие физико-химические величины, например температуру кипения или плавления, плотность вещества.

Для измерения показателя преломления жидких веществ и растворов применяют приборы, называемые рефрактометрами. Большинство рефрактометров устроено так, что исследуемое вещество помещается между двумя призмами (двумя половинами призмы). Свет, пропущенный через призму, преломляясь или отражаясь от границы раздела сред (призма - вещество), освещает только часть шкалы, образуя достаточно резкую границу света и тени. Положение этой границы на шкале зависит от угла полного внутреннего отражения исследуемого вещества. На шкале указаны показатели преломления, соответствующие различным значениям угла полного внутреннего отражения.

В качестве источника света пользуются монохроматическим светом натриевой горелки или обычным белым светом, направляемым специальным зеркалом. Поскольку белый свет состоит из лучей различной длины волн, при прохождении его через призму возникает явление светорассеяния (дисперсии), в результате чего на границе света и тени образуется радужная полоска, затрудняющая отсчет по шкале рефрактометра. Поэтому во всех современных конструкциях рефрактометров предусматриваются так называемые компенсаторы, позволяющие устранить дисперсию света.

Компенсаторы - это оптические системы, представляющие собой совокупность двух или трех призм или линз, изготовленных из стекла разных видов и установленных так, что различные цвета спектра налагаются один на другой, благодаря чему граница света и тени становится отчетливой. Поскольку световые лучи исходят из всех точек поверхности призмы и в различных направлениях, на пути между призмой и шкалой помещают линзу, собирающую все параллельные лучи в фокус. Таким образом, каждому пучку световых лучей, прошедших через линзу, соответствует световая точка.

Температуру призмы и исследуемого вещества контролируют термометрами, вмонтированными в оправу призм. Для регулирования и поддержания постоянной температуры в полые металлические оправы призм по специальным устройствам подают воду требуемой температуры. При отсутствии этих устройств пользуются таблицами температурных поправок.

Правильность показаний рефрактометров проверяют с помощью нормальной жидкости или дистиллированной воды, показатель преломления которой при 20°С равен 1, 333, либо пользуются юстировочной пластинкой, на которой указан показатель преломления. При наложении пластинки на призму рефрактометра показание шкалы должно совпадать с показателем, указанным на пластинке.

Рефрактометр ИРФ-22. Этот прибор применяют для измерения показателей преломления в интервале 1, 3-1, 7 как жидких, так и твердых продуктов.

Основные рабочие части прибора: две призмы, сложенные гипотенузными сторонами и составляющие вместе с оправами полушаровидной формы измерительную головку, зрительная труба с отсчетным устройством.

В оправах призм имеются камеры, через которые пропускают воду и таким образом регулируют температуру призм и заключенного между ними вещества. Температуру контролируют термометром, ввинченным в оправу призм. Для устранения радужной полоски на границе раздела темной и светлой частей поля зрения предназначен компенсатор. Шкала отсчетного устройства жестко соединена с измерительной головкой и помещена в корпусе прибора. Рефрактометр снабжен двумя зеркалами: одно служит для тления света через исследуемое вещество и призмы, другое - для освещения шкалы показателей преломления.

Принцип действия рефрактометра. Лучи света, отражаясь от зеркала, проходят через призму, гипотенузная сторона которой матовая, благодаря чему происходит рассеивание света. В исследуемое вещество попадают лучи различных направлений, в том числе и скользящие. Эта призма является осветительной. Пройдя слой жидкости и преломившись на границе жидкость - стекло, лучи войдут во вторую призму (измерительную). Максимальным углом выхода лучей из призмы будет предельный угол, соответствующий скользящим лучам. Таким образом поле зрительной трубы, поставленной на пути лучей, окажется раздельным на две части - темную и светлую. При этом положение границы раздела будет определяться предельным углом, зависящим от природы вещества.

Порядок проведения анализа. С помощью нормальной жидкости или дистиллированной воды проверяют правильность показаний рефрактометра. Затем, протерев досуха призмы, оплавленной стеклянной палочкой на нижнюю призму помещают несколько капель исследуемой жидкости, из которой предварительным фильтрованием через вату или марлю удаляют взвешенные частицы. Нижнюю призму накрывают верхней.

Смотря в окуляр, зеркалом направляют отраженный свет в верхнюю часть окошка оправы призмы, если жидкости мутные. Затем рычагом перемещают окуляр до совмещения визира с границей раздела темной и светлой частей поля зрения. Головку окуляра необходимо установить по глазу так, чтобы деления и цифры шкалы были отчетливо видны. Если граница окажется расплывчатой, радужной, то, вращая рукоятку компенсатора, добиваются четкости и записывают показания шкалы. Таким образом производят не менее трех отсчетов. Окончательным результатом является среднее арифметическое из всех отсчетов. В процессе определения необходимо следить за показаниями термометра. Если температура окажется выше или ниже 20⁰С, то необходимо пользоваться температурными поправками либо произвести предварительное темперирование призм. Простейшим устройством для темперирования призм является тубусная склянка вместимостью 3-5 л, соединяемая резиновыми трубками с оправами призм и установленная несколько выше рефрактометра. Вода, имеющая температуру на 2-30 выше 200С (в зависимости от температуры помещения), сначала поступает в оправы, а затем через трубку, надетую на нижний отросток оправы, в раковину или ведро. Скорость поступления и вытекания воды в оправы регулируют винтовными зажимами. После того как граница раздела света и тени совместится с перекрестием трубы, делают отсчет по шкале. Индексом для отсчета служит неподвижный горизонтальный штрих. Целые, десятые, сотые и тысячные доли значения показателя преломления отсчитывают по шкале, десятичные доли оценивают на глаз.

Рефрактометр РПЛ-3. Этот рефрактометр предназначен для определения показателя преломления жидкости и содержания сухих веществ по сахарозе в кондитерских изделиях, консервах, крахмале, патоке и т. д. Перед началом измерений проверяют нуль-пункт прибора, для чего на полированную плоскость измерительной призмы наносят 1-2 капли дистиллированной воды и устанавливают окуляр на резкость по шкале и визирной линии сетки. После этого окуляр перемещают по шкале до тех пор, пока визирная линия сетки не совместится с границей светотеней. При правильной установки прибора на нуль-пункт граница светотени при 20⁰С должна совместится с нулевым делением шкалы сухих веществ и делением nD=1.33299 шкалы показателей преломления. В случае отклонения от этих значений прибор необходимо установить ключом на нуль, для чего следует освободить пробу на корпусе, через отверстие в корпусе на квадрат винта вставить ключ и вращением его в ту или другую сторону совместить линию границы светотени с делением nD=1.33299, нулевым делением шкалы сухих веществ и визирной линией сетки.

Установив прибор на нуль-пункт, поднимают верхнюю камеру, вытирают соприкасающиеся плоскости призм досуха, сначала фильтровальной бумагой, а затем неворсистой салфеткой. После этого на поверхность измерительной призмы наносят 1-2 капли исследуемого раствора и плавно опускают верхнюю камеру.

В одно из окон осветителем направляют свет, при этом другое окно должно быть закрыто ширмой. Перемещая окуляр, вводят в поле зрения прибора границу светотени, устанавливают ее на резкость, одновременно поворачивают сектор компенсатора. Перемещают рукоятку с окуляром до совмещения визирной линии сетки с границей светотени и по шкале производят отсчет показаний. Измерения следует производить при 20⁰С. Анализ можно проводить при температуре в интервале 10 - 30⁰С. При этом необходимо вводить поправку на температуру, выраженную в процентах сухих веществ. Нуль-пункт прибора во всех случаях устанавливают при 20⁰С.