Метод определения содержания растворимых сухих веществ рефрактометром в фруктовых и овощных соках

Рефрактометрический метод анализа – это метод, основанный на зависимости угла или показателя преломления света от состава системы, так как каждая система отличается определенной оптической плотностью.

Применительно к химии рефракция имеет более широкое смысловое значение. Рефракция (от латинского refractio – преломление) - есть мера электронной поляризуемости атомов, молекул, ионов.

Поляризация электронных облаков в молекулах отчётливо проявляется в инфракрасном  и ультрафиолетовом поглощении веществ, но в ещё большей степени она ответственна за явление, которое количественно характеризуется молекулярной рефракцией.

Когда свет как электромагнитное излучение проходит через вещество, то даже в отсутствие прямого поглощения он может взаимодействовать с электронными облаками молекул или ионов, вызывая их поляризацию. Взаимодействие электромагнитных полей светового пучка и электронного поля атома приводит к изменению поляризации молекулы и скорости светового потока. По мере возрастания поляризуемости среды возрастает и n – показатель, величина которого связана с молекулярной рефракцией. Указанное явление используется наряду с методом дипольных моментов для изучения структуры и свойств неорганических, органических и элементоорганических соединений.

Рефрактометрия широко применяется также для определения строения координационных соединений (комплексов молекулярного и хелатного типа), изучения водородной связи, идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико–химических параметров веществ.

В производственной практике показатель преломления света n используется для контроля степени чистоты и качества веществ; в аналитических целях – для идентификации химических соединений и их количественного определения. Таким образом, рефрактометрия – это метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления (коэффициента рефракции) и некоторых его функций. Из функций n, используемых в химии, наибольшее значение имеют: функция Лоренца – Ленца, производная n по концентрации растворённых веществ (инкремент n) и дисперсионные формулы, включающие разности показателей преломления для двух длин волн. Инкременты n используют в жидкостной хроматографии и при определении молекулярной массы полимеров методом рассеяния света. Для рефрактометрического анализа растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этилового спирта и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции. Разработаны способы анализа трехкомпонентных растворов, основанных на одновременном определении n и плотности или вязкости, либо на осуществлении химических превращений с измерением n исходных и конечных растворов; эти способы применяют при контроле нефтепродуктов, фармацевтических препаратов и др. Идентификация органических соединений, минералов, лекарственных веществ осуществляется по таблицам n, приводимым в справочных изданиях. Преимуществами рефрактометрического метода являются его простота и относительно невысокая стоимость приборов для определения коэффициента преломления света.

Рефрактометры применяются в:

1. Химической промышленности:

– определение концентрации в растворах или процессах ректификации или регенерация растворителя

– кислоты (серная кислота, соляная кислота, уксусная кислота и т.п.)

– растворимые соли металлов (хлориды, фосфаты, сульфаты и т.п.)

– органические растворители: спирты, гликоли, амины( такие как MEA, DEA, EDA), пирролидоны, например, N-метил-пирролидон (NMP)

– фунгициды и удобрения, например, мочевино-аммониевый нитрат (UAN)

– контроль степени полимеризации в процессах производства пластмассы и синтетической смолы

– измерение концентрации водной смеси коллоидной кремниевой кислоты

2. Производстве волокна и текстильной промышленности:

– контроль концентрации прядильных растворов: DMAC (диметилацетамид), DMF (диметилформамид).

– измерение концентрации растворов капролактама (исходное вещество для производства полиамидов)

– поликарбонаты

– прядильный раствор из целлюлозы

3. Пищевой промышленности и производстве напитков, биохимической промышленности:

– свеклосахарное и тростниково-сахарное производство

– непрерывное измерение сахаристости для регулирования работы нагревателя сахара

– непрерывное измерение сахаристости в безалкогольных напитках и сладостях

– непрерывное измерение исходного холодного сусла при производстве пива

– измерение свежеотжатого винного сусла

– анализ пива (измерение содержания алкоголя, сусла и исходного сусла) в сочетании с измерением плотности

– непрерывное измерение паст и густых веществ: сахарного сиропа, мелассы, меда, джема, винного сусла, пюре)

– продукты из молочной сыворотки: измерение содержания сухих веществ по ареометру Брикса, лактозы, управление технологическим процессом

– пектин

4. Нефтяной и газовой промышленности:

– контроль концентрации водной смеси моноэтиленгликоля при транспортировке природного газа

5. Производстве бумаги и клея:

– концентрация крахмалов

– содержание сухих веществ в клеях на основе крахмала и казеина

– контроль за процессами решения проблем в производстве клея

6. Фармацевтической промышленности:

– контроль концентрации аскорбиновой кислоты и цетогулоновой кислоты при производстве витамина С

7. Научно-исследовательских работах, оптике:

– измерения концентрации во время процесса роста кристаллов

– управление технологическим процессом с применением специальных травильных растворов

8. Анализе сточных вод:

– Измерение максимального содержания сухих веществ (в градусах Брикса или в процентах по массе) в сочетании с контролем мутности жидкой среды, например, с целью обнаружения утечек.

Газовые интерференционные рефрактометры применяются для определения состава газов, в частности для определения содержания горючих газов в воздухе шахт, поиска утечек в сетях газоснабжения и т.д.

Рефрактометрия в офтальмологии: с помощью рефрактометров (в настоящие время используются автоматические (компьютерные) авторефрактометры) в офтальмологии определяют преломляющую силу глаза человека, что используется врачами для диагностики таких заболеваний, как близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

 

 

В лабораторных условиях обычно определяют так называемый относительный показатель преломления вещества по отношению к воздуху помещения, где ведется измерение. Показатель преломления измеряют на приборах рефрактометрах различных систем : погружной — для определения сухих веществ в пиве, молоке; универсальный — для исследования масел и др.; сахарный — для определения содержания сахара в сахарных растворах, сухих веществ в варенье, джеме, повидле, томато продуктах и др. Обычно измерение показателя преломления на рефрактометрах Пульфриха и Аббе, в основу принципа, действия которых положено явление полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с различными показателями преломления.

 Величина показателя преломления зависит от природы вещества, длины волны света, температуры, при которой проводится измерение и концентрации вещества в растворе. Измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия). Обязательным условием определения показателя преломления является соблюдение температурного режима. Обычно определение выполняется при 20±0,30С. При повышении температуры величина показателя преломления уменьшается, при понижении - увеличивается.

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.

Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).

Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20 °C). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: nt=n0+at+bt2+…

Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48×10−5, для спирта 3,95×10−5, для бензола 4,8×10−5. То есть изменение температуры на 1 °C влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения.

Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять   в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10×10−10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения n газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 ×10−7) определения разностей n растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.

 

 

 

2.2 Рефрактометры – порядок работы, принципы их действия

 

Принцип действия рефрактометра основан на том, что определяется лишь угол преломления исследуемой жидкости, а показатель преломления измерительной призмы известен.

1 - осветительное зеркало; 2 - вспомогательная откидная призма; 3 - основная измерительная призма; 4 - матированная грань откидной призмы; 5 - исследуемая жидкость; 6 - призмы Амичи компенсатора; 7 - объектив зрительной трубы; 8 - поворотная призма; 9 - окуляр зрительной трубы

 

Рисунок 2 – Оптическая схема рефрактометра ИРФ-22.

 

 

Порядок работы с рефрактометром:

1. Перед началом работы необходимо  проверить установку нуль-пункта рефрактометра. Установку нуль-пункта и измерения на рефрактометре необходимо проводить при одной и той же температуре. Проверка и установка нуль-пункта проводится по дистиллированной воде. При исследовании дистиллированной воды граница светотени должна находиться наделении 1,33299 шкалы ηд и 0% шкалы сухих веществ. Проверка и установка нуль-пункта по дистиллированной воде проводится следующим образом:

–открыть верхнюю камеру и промыть дистиллированной водой или спиртом поверхности измерительной и осветительной призм и насухо вытереть чистой льняной салфеткой;

– оплавленным концом палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру;

– смещая осветитель, луч света направить в окно верхней камеры;

– перемещением рукоятки с окуляром вдоль шкалы вверх и вниз найти в поле зрения границу светотени;

– границу светотени, перемещая рукоятку, совмещают с визирной линией (если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла через деление шкалы ηд = 1,33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль- пункт установлен правильно).

Измерение показателя преломления прозрачных жидкостей и процента сухих веществ по сахарозе производится аналогично измерению дистиллированной воды при установке нуль-пункта: после совмещения границы светотени с перекрестием сетки произвести отсчет по шкале показателей преломления и процента сухих веществ по сахарозе. Измерение произвести три раза. Среднее арифметическое трех измерений является конечным результатом измерений.

Измерение продуктов сахарного производства можно производить при температуре 10...30 °С с учетом поправки на температуру по таблице (таблицу взять у преподавателя).

Например, если измерения производить при температуре 17°С, отсчет по шкале равен 37,8% сухих веществ. По таблице находим поправку, равную 0,22. Показание рефрактометра будет равно: 37,80 – 0,22 = 37,58 % сухих веществ. После проведения измерений необходимо открыть верхнюю камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно опустить верхнюю камеру прибора.

Расчет концентраций вещества по показателям преломления раствора ведут следующими методами: по калибровочному графику, по таблицам, по рефрактометрическому фактору, методом добавок.

По калибровочному графику: калибровочный график строят по растворам вещества известной концентрации (концентрация — показатель преломления), измеряют показатель преломления анализируемого раствора, и на графике по показателю преломления определяют концентрацию.