Determ ination of Refractive Index
【目的要求】
1.掌握折射率的概念及表示方法。
2.熟悉阿贝折射仪的原理和使用方法。
【基本原理】
折射率是物质的特性常数。对于液体有机化合物，折射率是重要的物理常数之一，是有机化合物纯度的标志，也可用来鉴定未知有机物。
图2－39 光的折射现象
1．光的折射定律
光在两种不同的介质中的传播速度是不同的。光线从一种介质进入到另一种介质时，如果它的传播方向与两介质的界面不垂直时，则它从一种介质进入另一种介质后，传播方向会发生改变。这种现象称为折射。根据光的折射定律，一定波长的单色光，从一种介质A进入到另一种介质B时(见图2－39)，入射角α和折射角β的正弦之比等于两种介质的折射率n B，n A的比值。即
当介质A为真空时，n A=1，则有
，这时n B为介质B的绝对折射率。
当介质A为空气时，n A=1.00027(空气的绝对折射率)，则有
n'B是介质B的相对折射率率。它的数值与介质B的绝对折射率的数值相差很小，因此，在不需要精密测定时，可以用n'B代替n B。
介质的折射率与作为介质的物质本身的结构、入射光线的波长、温度及压力等因素有关。通常大气压的变化对折射率的影响不明显，一般不作考虑，只有在精密测定时才考虑。使用单色光要比白光时测得的折射率值更为精确，因此，钠光灯常被用作测折射率的光源。折射率的表示方法为
，即以钠光灯(D)为光源，温度为20℃时所测定的折射率。
图2－40 阿贝折射仪光学原理
2．阿贝折射仪的工作原理
阿贝折射仪的构成原理见图2－40。当光由介质A进入介质B，如果介质A对于介质B是光疏物质，即n A＜n B时，则折射角β小于入射角α，当入射角α0=90°时，sinα=1，这时折射角达到最大值，称为临界角，用β0表示。它与折光率的关系是n=1/sinβ0，由这个关系式，测定临界角β0，就可以计算得到折光率n。
为了测定β0值，阿贝折射仪采用了“半明半暗”的方法，即让单色光由0～90°的所有角度从介质A射入介质B，这时介质B中临界角以内的区域均有光线通过，因而表现为“明亮”，而临界角以外的区域没光线通过，因而是“暗”。“明”区和“暗”区的界线可用一目镜观测。介质不同，临界角也不同，在目镜中“明”区和“暗”区的界线位置也不一样。如果在目镜中刻上一个“×”字交叉线，改变介质B与目镜的相对位置，使“明”区和“暗”区的界线总是与“×”字的交点重合，通过测定其相对位置(角度)，便可得折光率。在阿贝折光仪中通常装有消色散装置，故可直接用日光或白炽光作光源，测得的数字与使用钠光线所测得的一样。
【操作方法】
一、数字阿贝折射仪的使用方法
(1)数字阿贝折射仪的结构如图2－41所示，按下“POWER”电源开关，光源10亮，同时显示窗3显示00000。有时显示窗显示“——”，数秒后显示00000。
(2)打开折射棱镜11，移去擦镜纸，检查上、下棱镜表面，并用丙酮小心清洁其表面(将数滴丙酮滴于下棱镜表面，迅速合上棱镜，然后再用擦镜纸轻轻
图2－41 数字显示阿贝折射仪
1—目镜;2—色散校准手轮;3—显示窗;4—“POWER”电源开关;5—“READ”读数显示键;
6—“BX－TC”经温度修正锤度显示键;7—“n D”折射率显示键;
8—“BX”未经温度修正锤度显示键;9—调节手轮;10—聚光照明部件;
11—折射棱镜部件;12—“TEMP”温度显示键;13—RS232插口
沿一个方向擦拭)。测定某一个样品以后也要仔细清洁两块棱镜表面，不能在棱镜上留有少量的原样品，以防影响下一个样品的测量准确度。
(3)将被测样品放在下面的折射棱镜的表面上，用干净的滴管吸1～2滴液体样品放在棱镜表面上，然后与上面的进光棱镜合上。
(4)旋转光源的转臂使进光棱镜的进光表面得到均匀照射。
(5)通过目镜1观察视场，同时旋转调节手轮9，使明暗分界线落在交叉视场中并对准交叉线的交点。如从目镜中看到的视场是暗的，可将调节手轮逆时针旋转。看到视场是明亮的，则将调节手轮顺时针旋转，明亮区域是在视场的顶部，旋转色散校准手轮2，使视场中明暗两部分具有良好的反差和明暗分界线具有最小的色散。
(6)按“READ”读数显示键5，显示窗中00000消失，显示“——”，数秒后“——”消失，显示被测样品的折射率。记录测试温度与折射率。
(7)样品测量结束后，需用丙酮小心清洁棱镜表面。
二、双目阿贝折射仪的使用方法
1．双目阿贝折射仪的结构
双目阿贝折射仪的结构见图2－42，其主要组成部分是两块直角棱镜，上面一块是光滑的，下面一块的表面是磨砂的，可以开启。左面是一个镜筒和刻盘，刻有1.3000～1.7000的刻度格子。右面也有一个镜筒，是测量望远镜，用来观察折射情况，筒内装有消色散镜。光线由反射镜反射入下面的棱镜，发生漫反射，以不同入射角射入两个棱镜之间的液层，然后再投射到上面棱镜光滑的表面上，由于它的折射率很高，一部分光线可以再经折射进入空气达到测量镜，另一部分光线则发生全反射。调节转动手轮2可使测量镜中的视野达到要求。从读数镜中读出折射率。
图2－42 双目阿贝折射仪
1—底座;2—棱镜转动手轮;3—圆盘组(内有刻度板);4—小反光镜;5—支架;
6—读数镜筒;7—目镜;8—望远镜筒;9—示值调节螺钉;10—消除色散手轮;
11—色散值刻度圈;12—棱镜锁紧扳手;13—棱镜组;14—温度计座;15—恒温器接头;
16—保护罩;17—主轴;18—反光镜
2．双目阿贝折射仪的使用方法
(1)仪器安装将阿贝折射仪安放在明亮处，但应避免阳光的直接照射，以免液体试样受热迅速蒸发。用橡皮管将超级恒温槽与阿贝折射仪串联起来，使超级恒温槽中的恒温水通入棱镜夹套内，检查插入棱镜夹套中的温度计的读数是否符合要求［一般选用(20.0±0.1)℃或(25.0±0.1)℃］。
(2)加样松开锁纽(12)，开启辅助棱镜，使其磨砂的斜面处于水平位置，用滴管加入少量丙酮洗镜面，并用擦镜纸将镜面擦干净。待镜面洗净晾干后，滴加数滴试样于辅助棱镜的磨砂镜面上，迅速闭合辅助棱镜，旋紧锁纽。若挥发性很大的样品，则可在合上辅助棱镜后再由棱镜的加液槽滴入试样。
(3)对光转动手轮2，使刻度盘标尺上的示值为最小，调节反射镜，使入射光进入棱镜组。同时，从测量望远镜中观察，使视场最亮。调节目镜，使十字线清晰明亮。
(4)粗调转动手轮，使刻度标尺上的示值逐渐增大，直至观察到视场中出现彩色光带或黑白分界线为止。
(5)转动消色手轮10，使视场内出现一清晰的明暗分界线。
3．阿贝折射仪使用注意事项
阿贝折射仪是一种精密的光学仪器，使用时应注意以下几点。
(1)阿贝折射仪最关键的地方是一对棱镜，使用时应注意保护棱镜，擦镜面时只能用擦镜纸而不可用滤纸等。加试样时切勿将管口触及镜面。滴管口要烧光滑，以免不小心碰到镜面造成刻痕。对于酸碱等腐蚀性液体不得使用阿贝折射仪。
(2)要保持仪器清洁，注意保护刻度盘。每次实验完毕，要用柔软的擦镜纸擦净，干燥后放入箱中，镜上不准有灰尘。
(3)试样不宜加得太多，一般只需滴入2～3滴即可铺满一薄层。
(4)读数时，有时在目镜中看不到半明半暗界线而是畸形，这是由于棱镜间未曾充满液体(应补加样品);若出现弧形光环，则可能是有光线未经过棱镜而直接照射在聚光透镜上。
(5)若液体折射率不在1.3～1.7范围内，则阿贝折射仪不能测定，也看不到明暗界线。
(6)仪器长期使用，刻度盘的标尺零点可能会移动，须加以校正。校正的方法是，用一已知折射率的液体，一般是用纯水，按上述方法进行测定，其标准值与测定值之差即为校正值。亦可使用专用调节器直接调节目镜前面凹槽中的调节螺丝。只要先将刻度盘读数与标准液体的折射率对准，再转动调节螺丝，直至临界线穿过十字交叉点，仪器就校正完毕。不同温度下纯水的折射率如表2－10。
表2－10 不同温度下纯水的折射率
折射率的测定不仅用于有机化合物纯度的鉴定，还可应用于以下几个方面:
(1)根据液体反应物与生成物折射率的改变情况，监测反应进行程度。
(2)分馏时，与沸点配合，收集不同馏分。
(3)检验原料、溶剂、中间体和产品纯度。
(4)未知物经结构确定后，作为物理常数之一。
【仪器与试剂】
仪器:WAY－1A数字阿贝折射仪，双目阿贝折射仪。
试剂:甲苯(分析纯)，四氯化碳(分析纯)，甲苯－四氯化碳混合物(物质的量的比例分别为1 2，1 1，2 1)。
【实验内容】
1.分别以甲苯、四氯化碳、甲苯－四氯化碳(n1 n2=1 2)，甲苯－四氯化碳(n1 n2=1 1)，甲苯－四氯化碳(n1 n2=2 1)为样品，按［操作方法］测定折射率。
2.以折射率为纵坐标，混合物的物质的量的组成百分率为横坐标作图。
3.以未知浓度的混合物为样品，测得其折光率，并求其浓度。
本实验约需2 h。
【附注】
折射率随温度增加而减小，许多有机物，当温度升高1℃时，折射率下降约0．0004。
如油脂化合物折光率近似校正公式为
即把温度t℃时测得的折光率(
)校正到20℃时的折光率。
实验指导
【预习要求】
1．复习折射率的概念和物理意义。
2．熟悉影响折射率的因素。
【注意事项】
1．折射仪不可用来测定强酸、强碱或有腐蚀性的物质。
2．使用折射仪时，手指及加样滴管等均不得接触棱镜镜面，以免损坏仪器。
3．仪器使用前后其镜面均应用指定溶剂清洗干净。
4．测量时应待清洗镜面的溶剂挥发干后，再加样测定，否则会影响测定结果。
5．待测液体加得过少或分布不均匀时，视场明暗线不清晰，则应补加样品。
【思考题】
1.哪些因素影响物质的折射率?
2.折射率的测定有哪些方面的应用?
(编写:江文辉 校核:罗一鸣)
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