实验三　液体化合物折射率的测定

折射率与物质的结构有关。在一定的条件下，纯物质具有恒定的折射率。折射率是有机化合物最重要的物理常数之一，作为液体化合物的纯度标准比沸点更可靠，可用来鉴定未知物或鉴定物质的纯度。测定值越接近文献值，就表明样品的纯度越高。折射率也可用于确定液体混合物的组成。因为当组分的结构相似和极性小时，混合物的折射率和物质的量组成之间常呈线性关系。

【实验目的】

1.了解阿贝折光仪的构造和折射率测定的基本原理。

2.掌握用阿尔折光仪测定液态有机化合物折射率的方法。

【实验原理】

1.折射率的定义

一般地说，光在两个不同介质中的传播速度不相同的。所以光线从一个介质进入另一个介质，当它的传播方向与两个介质的界面不垂直时，则在界面处的传播方向发生改变，这种现象称为折射现象（图1）。（光在两个不同界面通过时产生的折射，即光改变方向，是因为它的速度在改变。）

根据斯内尔（Snell）折射定律：波长一定的单色光线，在确定的外界条件（如温度、压力等）下，从一个介质A进入另一个介质B中，入射角α和折射角β的正弦之比和这两个介质的折射率N（介质A的）与n（介质B的）成反比，即：

若介质A是真空，则定其N=1（是一常数），于是：

称为绝对折射率。

2.折射率的应用和影响因素

物质的折射率不但与它的结构和光线波长有关，而且也受温度、压力等因素的影响，所以折射率的表示须注明所用的光线和测定时的温度，通常用20℃时，以钠光灯发出的波长为589.3nm的黄光即所谓的“钠D线”为入射光所测得的折射率。例如：

式中，n代表物质的折射率；n的上角标20指明的是测定时的温度，℃；下角标则标明使用钠灯的D线光作光源进行测定的。一般不考虑大气压的变化，因为大气压的变化并不显著影响折射率，所以在一般测定中都不作考虑。

温度对折射率影响很大，一般地讲，当温度升高1℃时，液体有机物的折射率就减少3.5×10-4～5.5×10-4。某些有机物，特别是测定折射率时的温度与沸点接近时，其温度系数可达7×10-4，为了便于计算，一般采用4×10-4为其温度变化常数，这样一般都会带来一些误差。

为了检验已知样品的纯度，应将实测值进行校正，以便同文献值对照。例如某液体在25℃时的实测值为1.4148，其效正值应为：

在严格的测定中，折光仪应与恒温槽相连。

3.折光仪基本原理

阿贝折光仪是根据光的全反射原理设计的仪器，它利用全反射临界角的测定方法测定未知物质的折射率，可定量地分析溶液中的某些成分，检验物质的纯度。

阿贝折光仪的简单光学原理（图2）：当光由介质A进入介质B，如果介质A对介质B是疏物质，即nA<nB，则折射角β必小于入射角α，当入射角α为90°，sinα=1，这时折射角β达到最大值，称为临界角，用βo表示。

很明显，在一定波长与一定条件下，βo是常数，它与折射率的关系是：n=1/sinβo，这样通过测定临界角βo就可以得到折射率，这就是阿贝折光仪的基本光学原理。

4.阿贝折光仪的使用

为了测定临界角βo值，这种仪器是采用“半明半暗”的方法，就是让单色光由0°～90°的所有角度从介质A射入介质B，这时介质B中的临界角以内的整个区域有光线通过，因而是光亮的，而临界角以外的全部区域没有光线通过，因而是暗的，明暗两区域的界限十分清楚，如果在介质B的上方用一目镜观测，就可见到一个界限十分清晰的半明半暗的图像。

阿贝折光仪的标尺上所刻的读数是换算后的折射率，可直接读数，不需换算。同时阿贝折光仪有消色散装置，故可直接使用日光，其测得的数字与钠光所测一样，这是阿贝折光仪的优点。

阿贝折光仪的主要组成部分是两块直角棱镜，上面一块是磨砂的，下面一块表面是光滑的，可以开启。筒内装有消色散镜，光线由反射镜反射入下面的棱镜，发生漫射，以不同入射角射入两个棱镜之间的液层，然后再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而达到测量镜；另一部分光线则发生全反射，调节螺旋以使测量镜中的视野在其临界角，再从读数中读出折射率。

实验室常用的2WA-J型阿贝折光仪的结构如图3所示。

1—反射镜；2—转轴折光棱镜；3—遮光板；4—温度计；5—进光棱镜；6—色散调节手轮；7—色散值刻度圈；8—目镜；9—盖板；10—棱镜锁紧手轮；11—折射棱镜座；12—照明刻度盘聚光镜；13—温度计座；14—底座；15—折射率刻度调节手轮；16—调节物镜螺丝孔；17—壳体；18—恒温器接头

使用折光仪应注意以下数点：

①阿贝折光仪的量程为1.3000～1.7000，精密度为±0.0001；测量时应注意保温套温度是否正确。

②仪器在使用或贮藏时，均不应曝于日光中，不用时应用黑布罩住。

③折光仪的棱镜必须注意保护，不能在镜面上造成刻痕。滴加液体时，滴管的末端切不可触及棱镜。

④在每次滴加样品前应洗净镜面；在使用完毕后，也应用丙酮或95%乙醇洗净镜面，待晾干后再闭上棱镜。

⑤对棱镜玻璃、保温套金属及其间的胶黏剂有腐蚀或溶解作用的液体，均应避免使用。

⑥阿贝折光仪不能在较高温度下使用；对于易挥发或易吸水样品测量有些困难；另外对样品的统一计划要求也较高。

【仪器试剂】

标准样（无水乙醇、蒸馏水），待测样。

【实验步骤】

①把温度计旋入仪器的温度计座内，用乳胶管把测量棱镜和辅助棱镜上保温套的进出水口与恒温水浴串接起来，将温度调节到所需测定温度（通常为20℃，以温度计实际温度为准），待温度稳定10min后，即可测定。

②旋开棱镜锁紧扳手，开启辅助棱镜，用擦镜纸蘸少量95%乙醇，轻轻擦洗上、下镜面，风干。

③测量时，用洁净的长滴管将待测样品液体1～2滴均匀地置于下面棱镜的毛玻璃面上。此时应注意切勿使滴管尖端直接接触镜面，以免造成划痕。迅速闭合辅助棱镜，旋紧锁紧扳手，锁紧棱镜。调节反射镜，使入射光进入棱镜组，调节测量目镜，从目镜中观察，使视场最亮、最清晰。

提示：若被测液体为易挥发物，则在测定过程中须用针管在棱镜侧面的一小孔内加以补充，或快速测定。

④先轻轻转动右下方的折射率刻度调节手轮，并在目镜内找到明暗分界线或彩色光带，再转动右上方的色散调节手轮（阿米西棱镜手轮），消除色散，便可看到一条明晰的明暗分界线。目镜中观察到的几种图案分别如图4所示。

⑤若分界线不在十字交叉线的中心上，再转动折射率刻度调节手轮，使分界线对准十字交叉线的中心，并在目镜中读取数字刻度盘下方的数值，即为折射率值，读至小数点后四位。重复该操作三次，取其平均值。并记下阿贝折光仪温度计的读数作为被测液体的温度。

注意：刻度盘附有一照明刻度盘聚光镜（如图3中的12），可使视野明亮，便于读数。从读数镜中读取折射率时要注意标尺上方的数值为糖的百分浓度（测定糖溶液浓度的操作与测折射率相同）；而下方数值才是所测液体在该测定温度时的折射率。

标准试样的折射率值如下：水，无水乙醇。

⑥按步骤②擦洗棱镜上、下镜面，用同样的方法测定其他待测物的折射率。

⑦实验完毕，用95%乙醇擦洗棱镜上、下镜面，及用干净软布擦净整台折光仪，妥善复原。

【注意事项】

1.要特别注意保护棱镜镜面，滴加液体时防止滴管口划镜面。

2.每次擦拭镜面时，只许用擦镜纸轻擦，测试完毕，也要用丙酮洗净镜面，待干燥后才能合拢棱镜。

3.不能测量带有酸性、碱性或腐蚀性的液体。

4.测量完毕，拆下连接恒温槽的胶皮管，棱镜夹套内的水要排尽。

5.若无恒温槽，所得数据要加以修正，通常温度升高1℃，液态化合物折射率降低（3.5～5.5）×10-4。