В нашей теории показателя преломления имеется еще одно предсказание, которое можно проверить экспериментально. Предположим, что мы рассматриваем смесь двух материалов. Показатель преломления смеси не будет средним двух показателей, а определяется через сумму двух поляризуемостей, как в уравнении (32.34). Если, скажем, мы интересуемся показателем преломления раствора сахара, то полная поляризуемость будет суммой поляризуемостей воды и сахара. Но каждая из них, разумеется, должна подсчитываться исходя из данных о числе молекул данного сорта в единице объема. Другими словами, если в данном растворе содержится молекул воды, поляризуемость которой , и молекул сахарозы , поляризуемость которой , то мы должны получить

. (32.37)

Этой формулой можно воспользоваться для экспериментальной проверки нашей теории - измерения показателя для различных концентраций сахарозы в воде. Однако здесь мы должны сделать несколько допущений. Наша формула предполагает, что при растворении сахарозы никакой химической реакции не происходит и что возмущение индивидуальных осцилляторов при различных частотах отличается не слишком сильно. Поэтому наш результат, безусловно, будет только приближенным. Тем не менее давайте посмотрим, насколько он хорош.

Раствор сахара мы выбрали потому, что мы располагаем хорошими данными измерений показателя преломления и, кроме того, сахар представляет собой молекулярный кристалл и переходит в раствор без ионизации и других изменений химического состояния.

В первых трех столбцах табл. 32.2 приведены данные из указанного справочника. В столбце А дан процент сахарозы по весу, в столбце В приведена измеренная плотность в , а в столбце С даны измерения показателя преломления света с длиной волны 589,3 ммк. В качестве показателя чистого сахара мы взяли результаты измерений для кристалла сахара. Эти кристаллы не изотропны, так что показатель преломления в разных направлениях различен. Справочник дает три величины:

Мы взяли среднее.

Весовая доля сахарозы	Плотность,		Молей сахарозы в литре	Молей воды в литре
Чистая вода. Кристаллы сахара. Среднее (см. текст). Молекулярный вес сахарозы. Молекулярный вес воды.., приведенную в столбце I. Из нашей теории мы ожидали, что все величины должны получиться одинаковыми. Они получились хотя и не точно равными, но довольно близкими друг к другу. Отсюда можно заключить, что наши идеи правильны. Более того, мы нашли, что поляризуемость молекул сахара, по-видимому, не зависит сильно от ее окружения: их поляризуемость приблизительно одна и та же как в разбавленном растворе, так и в кристалле.

В спирте этиловом и метиловом (абсолютных) сахароза не растворяется. В водно-спиртовых смесях растворимость сахарозы возрастает с увеличением доли воды в смеси.

Растворы сахарозы преломляют световые лучи. При этом показатель преломления не постоянен и зависит от концентрации раствора (табл. 1). Это свойство растворов сахарозы широко применяется для определения их концентрации.

Таблица 1

Сахароза в кристаллическом и расплавленном состоянии, а также ее растворы практически не проводят электрического тока. Диэлектрическая постоянная для кристаллической сахарозы при 15°С равна 4,19.

Сахароза практически не восстанавливает медно-щелочных растворов и поэтому относится к нередуцирующим сахарам. Некоторая (очень незначительная) редуцирующая способность растворов сахарозы обусловливается самоинверсией при нагревании, что связано с диссоциацией ее как кислоты (константа электролитической Диссоциации при 25°С равна 3 10 -13). Образующийся при этом инвертный сахар проявляет восстановительные свойства.

Для кондитерского (в частности, карамельного) производства большое значение имеет свойство растворов сахарозы растворять другие сахара. При этом общая концентрация растворенных веществ возрастает, что дает возможность получить более концентрированные растворы (сиропы). Однако предельная концентрация самой сахарозы в присутствии других Сахаров и патоки снижается. Это наглядно видно из табл. 2-5.

Таблица 2. Концентрация сахарозы в присутствии инвертного сахара при 50°С

сахарозы	инвертного сахара	сахарозы	инвертного сахара	всего сухих веществ

Таблица 3. Концентрация сахарозы в присутствии патоки при 50°С

сахарозы	патоки (сухих веществ	сахарозы	патоки (сухих веществ)	всего сухих веществ

Таблица 4. Концентрация сахарозы в присутствии глюкозы при 25°С

сахарозы	глюкозы	сахарозы	глюкозы	всего сухих веществ

Таблица 5. Концентрация сахарозы в присутствии мальтозы при 25°С

сахарозы	мальтозы	сахарозы	мальтозы	всего сухих веществ

Из данных табл. 2-5 видно, что добавление к раствору сахарозы инвертного сахара, патоки, глюкозы и мальтозы снижает предельную концентрацию сахарозы. Общее содержание сухих веществ (в сумме) при этом возрастает. Особенно значительно повышение общего содержания сухих веществ по сравнению с насыщенным раствором одной сахарозы при добавлении инвертного сахара и патоки.

Сахароза не гигроскопична. При относительной влажности воздуха ниже 93% кристаллы сахарозы практически не поглощают влагу из воздуха и не расплываются. Однако при добавлении к сахарозе других Сахаров смесь поглощает воду из воздуха при более низких значениях относительной влажности.

В табл. 6 приведены данные, характеризующие гигроскопичность сахарозы в чистом виде и в смеси с другими сахарами.

Таблица 6. Гигроскопичность сахарозы

	Относительная влажность 81,8%			Относительная влажность 62,7%			Относительная влажность 43,0%
	Количество влаги в %, поглощенной при 25°С через
Сахароза	Не гигроскопична			Не гигроскопична			Не гигроскопична
Сахароза + 10% глюкозы							Не гигроскопична
Сахароза + 10 % Фруктозы
Сахароза +10% инвертного сахара
Сахароза + 10% мальтозы

Как видно из данных таблицы, при добавлении к сахарозе инвертного сахара или фруктозы способность смеси поглощать влагу из окружающего воздуха наблюдается уже при относительной влажности 62,7%, а при относительной влажности 81,8% такие смеси поглощают влагу уже после первого часа хранения. Добавление к сахарозе 10% глюкозы или мальтозы также повышает гигроскопичность смеси по сравнению с чистой сахарозой, но в значительно меньших размерах по сравнению со смесями, в которые добавлены фруктоза или инвертный сахар. Смеси сахарозы с 10% глюкозы или мальтозы практически не гигроскопичны при относительной влажности 43,0 и 62,7%. Некоторая гигроскопичность проявляется только при относительной влажности 81,8%

ГОУ ВПО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова

Кафедра фармацевтической химии с курсом токсикологической химии

Курсовая работа на тему:

"Рефрактометрический метод в экспресс-анализе лекарственных форм"

Подготовил:

Студент 5 курса 17 группы дневного отделения Жуков А.М.

Проверила:

Щепочкина О.Ю.

Выяснить актуальность данного метода анализа лекарственных веществ для среднестатистической аптеки.

Изучить рефрактометрический метод анализа лекарственных веществ;

Выяснить, какие на данный момент существуют рефрактометры;

Выяснить актуальность рефрактометрического метода анализа для аптеки.

Теоретическая част ь

Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - метод анализа, основанный на явлении преломления света при прохождении из одной среды в другую. Преломление света, то есть изменение его первоначального направления, обусловлено различной скоростью распределения света в различных средах.

При этом отношение синуса угла падения луча (α) к синусу угла преломления (β) для двух соприкасающихся сред есть величина постоянная, называемая показателем преломления (n).

Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в этих средах:

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. Обычно измерение показателя преломления на рефрактометрах Аббе, в основу принципа, действия которого положено явление полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с различными показателями преломления.

Диапазон измеряемых показателей преломления при измерении в преходящем свете 1,3-1,7.

Точность измерения показателя преломления должна быть не ниже +2·10 -4 .

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. Поправку рассчитывают по следующей формуле:

n1=n 20 + (20-t) ·0,0002

Показатель преломления, измеренный при 20 0 С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом n 20 .

Показатель преломления как константа может быть использован для идентификации тех лекарственных препаратов, которые по своей природе являются жидкостями. Согласно ФС определяют показатель преломления для идентификации галотана (фторотана), никетамида (диэтиламида кислоты никотиновой), токоферола ацетата, а также жирных и эфирных масел (персикового, касторового, эвкалиптового и др.). Рефрактометрия в фармацевтическом анализе широко используется для количественного определения веществ в растворе, особенно в практике внутриаптечного контроля. Примечание. При концентрации вещества менее 3 - 4% не рекомендуется использовать метод рефрактометрии.

Зависимость показателя преломления от концентрации вещества в процентах выражается формулой:

где n и n0 - показатели преломления раствора и растворителя; С - концентрация вещества в растворе; F - фактор показателя преломления. Показатель преломления раствора складывается из показателя преломления растворителя и показателей преломления растворенных веществ.

Для растворов, содержащих два или более веществ, формула будет иметь следующий вид:

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М

Рефрактометр ИРФ-454Б2М предназначен для измерения показателя преломления и средней дисперсии неагрессивных жидкостей и твердых тел.

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М обладает рядом достоинств:

быстротой измерения;

простотой обслуживания;

минимальным расходом исследуемого вещества, что особенно важно при работе с дорогостоящими материалами.

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М применяется:

1. В МЕДИЦИНСКИХ УЧРЕЖДЕНИЯХ для определения белка в моче, сыворотке крови, плотности мочи, анализ мозговой и суставной жидкости, плотности субретинальной и других жидкостей глаза. Использование рефрактометра позволяет значительно сократить затраты времени при массовых обследованиях пациентов.

2. В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ рефрактометр ИРФ-454б2м может применяться для исследования водных растворов различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%); кордиамина и т.д.

3. В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ:

на сахарных и хлебных заводах, кондитерских фабриках для анализа продуктов и сырья, полуфабрикатов, кулинарных и мучных изделий рефрактометр ИРФ-454 б2м определяет влажность меда (до 20 %)

для определения доли сухих веществ в различных суслах (ГОСТ 5900-73), "промочке", сахароаграровом сиропе, сиропе для мармелада, зефира, кремов и пряников, "тиражки" для пряников;

для определение массовой доли растворимых сухих веществ по сахарозе (BRIX) в продуктах переработки плодов и овощей, для определения процентного содержания жира в твердых продуктах питания (пряники, вафли или хлебобулочных изделий) концентрации солей.

4. ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ ТЕХНИКИ рефрактометр ИРФ-454 Б2М применяется для определения с большей точностью объемной концентрации противокристаллизационной жидкости "ИМ", которая добавляется в авиационное топливо в количестве от 0,1 до 0,3%. Дальнейшая обработка результатов ведется согласно "Методическим рекомендациям по анализу качества ГСМ в гражданской авиации" Ч. II стр.159. Опыт использования рефрактометров показал, что эти приборы значительно сокращаются время и повышают достоверность получения анализов по процентному содержанию жидкости "ИМ" в авиационном топливе.

Технические характеристики:

Рефрактометр АЛР-3

Автоматический лабораторный рефрактометр АЛР-3 с микропроцессорным управлением предназначен для исследования концентрации широкого диапазона жидких сред как низкой, так и высокой вязкости, независимо от прозрачности и цвета.

Прибор автоматически измеряет коэффициент преломления образца раствора, вычисляет его концентрацию и представляет результат на цифровом ЖК-индикаторе. Рефрактометр имеет стандартную калибровку по концентрации сахара в воде (шкала Брикс), но может быть откалиброван на концентрацию любых растворов по желанию заказчика с записью в память соответствующих шкал.

Рефрактометр АЛР-3 измеряет температуру исследуемого раствора и производит автоматическую компенсацию ее влияния на результат измерений.

Диапазон измерения показателей преломления	1,320 - 1,525
Рабочий диапазон измерения концентрации растворов	0 - 90 %
Погрешность измерения концентрации, не хуже	± 0,1 %
Температурная компенсация	автоматическая
Допустимые пределы изменения рабочей температуры	0 - 50°С
Габаритные размеры рефрактометра, мм, не более	170×115×270
Погрешность измерения рабочей температуры, не хуже	± 1°С
Время выхода на рабочий режим после включения, не более	5 мин
Время установления выходного сигнала, не более	1 мин
Масса, не более	3.0 кг
Наибольшие габаритные размеры	230х220х120 мм
Питание	220 В, 50 Гц

Вывод из всего написанного выше следует такой:

Рефрактометрический метод анализа, прост, быстр и удобен. Но наибольшее значение он имеет все же для пищевой промышленности и медицины (например, для определения белка).

Список литературы

1. Рефрактометрия в анализе лекарственных средств аптечного изготовления. Контроль качества лекарственных средств, изготовляемых в аптеках / ГОУ ВПО Нижегородская государственная медицинская академия Российского федерального агентства и социального развития. Кафедра фармацевтической химии и фармакогнозии - Нижний Новгород, 2008г.,19 с.

2. Компания ЕвроЛаб [Сайт компании]; http://www.eurolab.ru/refraktometriya (Дата обращения 20.12.2010)

3. Компания ЕвроЛаб [Сайт компании]; http://www.eurolab.ru/refraktometry (Дата обращения 20.12.2010)

4. Березина Е.С., Киселева А.А., Филиппова Ю.В. / Вестник Пермской государственной фармацевтической академии №2 - Пермь, 2007 г., с.123-125

Общая характеристика метода

Рефрактометрия - оптический метод исследования, основанный на измерении показателя преломления луча света, проходящего через исследуемое вещество.

В основе метода лежит явление рефракции, то есть преломление световых лучей на границе раздела двух различных по своей природе оптических сред.

Рефракция света является следствием его взаимодействия с частицами вещества, через которое проходит свет. Под воздействием электромагнитных колебаний света в атомах вещества возникают вынужденные колебания электронов и ядер. Вследствие этого происходит их смещение относительно друг друга, что приводит к несовпадению «центров тяжести» отрицательного и положительного электричества в атомах и молекулах, то есть атомы, и молекулы вещества поляризуются в электромагнитном поле света.

Преломление света оценивается показателем преломления n, который равен отношению синуса угла падения? к синусу угла преломления?:

Показатель преломления зависит от ряда факторов: природы вещества, длины волны падающего света, плотности среды, концентрации раствора и температуры. Существует прямолинейная зависимость между величиной показателя преломления и концентрацией сахара в водном растворе, которая используется при определении концентрации сахара в растворах.

Метод рефрактометрии применяется также для идентификации веществ, определения их чистоты и концентрации в растворе.

Зависимость показателя преломления от плотности вещества выражается формулой:

где n - показатель преломления;

r - удельная рефракция вещества, см3/г;

d - плотность вещества, г/см3.

Функция f(n) выражается соотношением:

Размерность удельной рефракции соответствует удельному объему, то есть r, см3/г.

Умножение удельной рефракции r на молярную массу вещества МВ дает величину молярной рефракции RM:

Подставив значение удельной рефракции r в формулу (2.19), получают уравнение, связывающее молярную рефракцию вещества с его плотностью, молярной массой и поляризуемостью:

где RM - молярная рефракция вещества В см3/моль;

МВ - молярная масса вещества В, г/моль;

n - показатель преломления вещества В;

d - плотность вещества В, г/см3.

Выражение (2.20) носит название формулы Лорентц - Лоренца. Она при меняется в расчетах и достаточно точно отвечает правилу аддитивности молекулярной рефракции. Рассчитанные по этой формуле результаты мало зависят от изменений температуры, давления и агрегатного состояния вещества во время анализа.

Правило аддитивности молекулярной рефракции заключается в следующем: сумма атомных рефракций элементов, входящих в соединение, равна молекулярной рефракции этого соединения.

где? - коэффициент поляризуемости, см3;

NA - постоянная Авогадро, 6,02204 1023 моль-1.

Коэффициент поляризуемости (?) зависит от объема атомов и молекул вещества и не зависит от температуры. Экспериментально установлено, что? ? r3, где r - радиус поляризованной молекулы.

Физический смысл молярной рефракции поясняет соотношение:

где NA - число молекул в 1 моль вещества, моль-1;

Объем шара, т.е. объем поляризованной молекулы;

Отсюда следует, что RM - суммарный объем всех поляризованных молекул, содержащихся в 1 моль вещества. Объем поляризованных молекул состоит из объемов атомов и объемов, занимаемых двойными и тройными связями. Объем атомов называют атомной рефракцией Rат, а объем связи - рефракцией связи Rсв. Из сказанного видно, что молярная рефракция - аддитивная величина.

Значения рефракций атомов некоторых элементов и связей представлены в таблице 2.8

Таблица 2.8- Атомные рефракции и рефракции связей по Фогелю

Сущность определения содержания сахара в сухих винах с использованием колоночной хроматографии методом рефрактометрии

Рефрактометрическое определение содержания сахара в пищевых продуктах основано на существовании прямолинейной зависимости между величиной показателя преломления и концентрацией сахара в растворе.

Оборудование

1. Рефрактометр ИРФ - 454 БМ;

2. Аналитические весы;

3. Мерные колбы объемом 25 см3 (5 шт.);

4. Пипетка глазная;

5. Хроматографическая колонка;

6. Фильтровальная бумага.

Применяемые реактивы

1. Водно - спиртовый раствор. Приготовление ведется с учетом содержания спирта. Например, на этикетке указано «Алк. 9 - 11% об.», следовательно, водно - спиртовый раствор готовится в соотношении 91:9 частей;

2. Дистиллированная вода;

Измерение показателя преломления исследуемых веществ проводят на рефрактометре ИРФ - 454БМ, принцип действия которого основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления. Все измерения проводят в «белом свете» (дневном или электрическом). Для получения высокой точности показатели преломления исследуемых жидкостей замеряют при определенной температуре и определенной длине волны.

Рисунок 2.14 - Рефрактометр ИРФ - 454БМ: 1 - окуляр; 2 - маховики; 3, 4 - зеркала; 5 - рефрактометрический блок с подвижной (а) и неподвижной (б) призмами; 6 - заслонка; 7 - крючок; 8 - корпус прибора; 9 - место установки термометра

Рисунок 2.15 - Схема призм рефрактометра: 1 - измерительная призма; 2 - исследуемая жидкость; 3 - осветительная призма

Порядок работы рефрактометра ИРФ - 454БМ

Рефрактометр устанавливают так, чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы и на зеркало, которым направляют свет во входное окно измерительной призмы. Для этого нужно открыть заслонку 6 и зеркала 3, 4 (см. рисунок 2.14).

Осветительную призму открыть на угол 100°. На чистую полированную поверхность измерительной призмы 1 (см. рисунок 2.15) стеклянной палочкой или пипеткой, не касаясь призмы, нанести 2 - 3 капли жидкости так, чтобы вся поверхность была покрыта пленкой жидкости. Опустить осветительную призму 3 и прижать ее крючком 7. Измерения прозрачных жидкостей проводят в проходящем свете, когда он проходит через открытое окно осветительной призмы.

Лучи света проходят осветительную призму 3, рассеиваясь на выходе матовой гранью А1В1, входят в исследуемую жидкость и падают на полированную грань АВ измерительной призмы 1 (см. рисунок 2.15). Поворотом зеркала 3 (см. рисунок 2.14) ярко освещают призму белым светом. Все поле в окуляре должно быть освещено равномерно.

Наличие темных пятен указывает на недостаточное количество взятой для анализа жидкости. В таком случае призмы раскрывают и добавляют несколько капель исследуемой жидкости и снова плотно сжимают их.

До начала измерений проверьте чистоту осветительной и измерительной призм прибора (смочите их дистиллированной водой и протрите чистой мягкой салфеткой).

Перед измерениями проверяют рефрактометр по дистиллированной воде:

а) на чистую полированную поверхность измерительной призмы осторожно, не касаясь ее поверхности, наносят пипеткой 2 - 3 капли дистиллированной воды и опускают осветительную призму;

б) поворотом зеркала добиваются наилучшей освещенности шкалы. Вращением нижнего маховика, расположенного на правой стороне рефрактометра и смотря в окуляр, границу светотени вводят в поле зрения окуляра 1. Вращением верхнего маховика устраняют цветную окраску границы раздела света и тени и наводят ее на резкость;

в) наблюдая в окуляр, совмещают центр перекрестия с линией светотени с помощью нижнего маховика и измеряют значение показателя преломления воды на шкале, расположенной внизу окуляра.

При 20°С показатель преломления воды nD = 1,3330. Если опыт проводился при другой температуре (измерить температуру воды термометром), то вводится температурная поправка к полученному значению показателя преломления для воды:

N = 0,0565 10-4 + 10-4 (t0 - 10) (2.23)

где 10-4 - температурный коэффициент показателя преломления дистиллированной воды, 1/град.

n = n?D + ?n (2.24)

Совпадение экспериментально полученного значения n с данными таблицы 2.9 при той же температуре говорит о том, что рефрактометр настроен.

Таблица 2.9 Температурные отклонения показателя преломления воды

Выполнение работы

1) Приготовить растворы для построения градуировочного графика

Готовят пять градуировочных растворов сахарозы в мерных колбах емкостью 25 см3, охватывая диапазон ожидаемой концентрации в исследуемом образце (например, на этикетке вина написано: «сахара 30 - 50 г/дм3», следовательно, нужно приготовить растворы сахара концентрации 20; 30; 40; 50; 60 г/дм3). В качестве растворителя используют водно - спиртовый раствор.

Градуировочные растворы готовятся из массы навески сахарозы при приготовлении 25 см3 раствора с концентрацией сахара 20 г/дм3 по соотношению:

20 г - 1000 см3.

m1, г - 25 см3.

Навеску сахарозы количественно переносят через воронку в мерную колбу вместимостью 25 см3. В колбу добавляют водно - спиртовой раствор на? ее объема и перемешивают содержимое до полного растворения сахарозы. Затем оставшийся объем довести до метки водно - спиртовым раствором и перемешивают. Аналогично рассчитывают и готовят растворы других концентраций.

2) Измерить показатель преломления градуировочных растворов:

а) приподнять осветительную призму и поверхности обеих призм осторожно протереть фильтровальной бумагой;

б) нанести 2 капли раствора на поверхность измерительной призмы и опустить осветительную призму;

в) поворотом верхнего маховика установить границу светлого и темного полей. Она должна быть четкой и не иметь радужной окраски;

г) вращать нижний маховик до совпадения границы темного и светлого участка поля зрения.

д) полученные данные занести в таблицу 2.10;

Таблица 2.10 - Результаты эксперимента

3) Подготовить исследуемый продукт к анализу. Вино, полученное для анализа предварительно пропускают через хроматографическую колонку, заполненную активированным углем, чтобы отделить красящие органические вещества. Устанавливают скорость капания, равную вытеканию 1 капли через каждые 3 с. Если вино недостаточно осветлилось, операцию повторяют 2 - 3 раза.

4) Измерения показателя преломления очищенного вина ведется аналогично измерению показателя преломления градуировочных растворов.

5) По окончании измерений промыть обе призмы дистиллированной водой и вытереть насухо фильтровальной бумагой.

6) Построить градуировочный график по результатам таблицы 2.10.

7) Используя градуировочный график, определите содержание сахарозы в вине, и сравнить с данными на этикетке бутылки.

Обработка результатов эксперимента

1) Проверяют рефрактометр по дистиллированной воде

Показатель преломления по дистиллированной воде n = 1,3302 при температуре проведения эксперимента Т = 28,8°С

N = 0,0565 10-4 + 1 10-4(t - 10) = 0,0565 10-4 + 1 10-4(28,8 - 10) = 1,89 · 10-3

n = n?D + ?n = 1,3302 + 1,89 · 10-3 = 1,33209 ~ 1,3321

2) Построить градуировочный график по результатам таблицы 2.11

Таблица 2.11- Результаты эксперимента

Рисунок 2.16 - График зависимости показателя преломления n от концентрации водно - спиртового раствора сахарозы, г/дм3

3) Используя градуировочный график, определить содержание сахарозы в вине, и сравнить с данными на этикетке бутылки.

Показатель преломления для образца вина n = 1,3390

Уравнение прямолинейной зависимости показателя преломления n от концентрации водно - спиртового раствора сахарозы, г/дм3: n = 1,34426 · 10?4 · C + 1,33425, следовательно:

n = 1,34426 · 10?4 · C + 1,33425

1,3390 = 1,34426 · 10?4 · C + 1,33425

0,00475 = 1,34426 · 10?4 · C

C = 35,3354 ~ 35,33 г/дм3

Анализируемое винное изделие - полусладкое белое столовое вино «Русская Лоза Мускат», алк 10 - 12%, сахар 30 - 40% объем 0,7л

Область применения

1) Круговорот углекислого газа в природе

Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза из поглощаемого диоксида углерода атмосферы и воды.

2) Источник пищи

Углеводы служат основным ингредиентом пищи млекопитающих. Общеизвестный их представитель - глюкоза - содержится в растительных соках, плодах, фруктах и особенно в винограде (отсюда ее название - виноградный сахар). Она является обязательным компонентом крови и тканей животных и непосредственным источником энергии для клеточных реакций. Приём пищи увеличивает расход энергии в покое в среднем до 2200 ккал (белки до 30%, углеводы и жиры на 4 - 15%). Эта способность пищи повышать энерготраты называется специфически - динамическим действием пищи.

3) Энергетическая и строительная функция углеводов

Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов. Они имеют большое значение как источники энергии в метаболических процессах. Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она освобождается в процессе диссимиляции сложных органических соединений: белков, жиров и углеводов, потенциальная энергия которых при этом переходит в кинетические виды энергии, в основном в тепловую, механическую и частично в электрическую.

Расщепление идет путем присоединения кислорода - окисления. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал тепла, 1 г углеводов - 4,1 ккал, 1 г белка - 4,1 ккал.

То количество тепла, которое выделяется при окислении в организме 1 г вещества, называется теплотой сгорания.

Часть освободившейся энергии используется для построения новых клеток и тканей, часть потребляется в процессе функционирования органов и тканей - сокращения мышц, проведения нервных импульсов, синтеза ферментов и гормонов и др. Большая часть химической энергии переходит в тепло, которое идет на поддержание постоянной температуры тела.

4) Строительный материал

Целлюлоза является распространенным растительным полисахаридом, входит в состав древесины, скелета стеблей и листьев, оболочки зерновых культур, овощей и фруктов.

5) Кулинарное и кондитерское дело

Химически подтверждают: температура выше 120°С разрушает питательные вещества и запускает реакции, в результате которых образуются элементы, способные навредить организму. Так, готовка на открытом огне вызывает реакцию Майяра: этот французский химик обнаружил, что высокая температура меняет качество аминокислоты в присутствии сахара.

Именно эта реакция придает характерный цвет хлебной корочке, куриной коже, чипсам. Кроме того, благодаря ей появляется аппетитный запах жаренного.

6) Постоянство внутреннего состава крови

Для человека основным источником углеводов является растительная пища. В пище содержатся главным образом сложные углеводы: полисахариды - крахмал, гликоген и дисахариды - молочный, свекловичный, тростниковый и другие сахара. В пищеварительном тракте при их расщеплении образуются простые моносахариды - глюкоза, фруктоза и галактоза, которые всасываются из кишечника в кровь.

В крови углеводы содержатся в виде глюкозы 4,44 - 6,66 ммоль/л, в печени и мышцах - в виде небольших запасов гликогена.

При голодании запасы гликогена уменьшаются, так как гликоген расщепляется до глюкозы и поступает в кровь, поддерживая постоянный уровень сахара в крови. Состояние, когда уровень сахара в крови становится ниже 4,44 ммоль/л, называют гипогликемией, повышение свыше 6,66 ммоль/л - гипергликемией. При гликемии нарушается функциональное состояние нервных клеток, у человека появляются слабость, чувство голода, понижается работоспособность.

Если гипогликемия продолжается длительное время, то человек теряет сознание и может наступить смерть. В случаях, когда человек принимает одномоментно 150 - 200 г легкоусвояемых углеводов (сахар, конфеты), возникает так называемая алиментарная (пищевая) гипергликемия, которая сопровождается глюкозурией - появлением сахара в моче; избыток сахара выводится почками. Всосавшиеся в кишечнике моносахариды с током крови через портальную вену попадают в печень, где часть их превращается в гликоген и откладывается про запас.

Кроме, печени гликоген откладывается в скелетных мышцах. Всего в запасе организма имеется около 350 г гликогена.

7) Применение в медицине для получения антибиотиков

Стрептомицин - антибиотик группы аминогликозидов широкого спектра действия - основание, растворим в воде, термоустойчив. Обладает устойчивостью как в сухом состоянии, так и в растворах (в особенности при рН = 3 - 7 и температуре раствора < 28°С). Обычно выделяют в виде солей: хлоргидрат, сульфат и др.; [?]D26 водного раствора хлоргидрата - 86,1°.

Исторически первый антибиотик группы аминогликозидов и первый, оказавшийся активным против туберкулёза и чумы. Был открыт вторым после пенициллина Зельманом Ваксманом, за что он получил Нобелевскую премию в 1952 году.

стрептомицин

Образуется в процессе жизнедеятельности лучистых грибов Streptomyces globisporus streptomycini или других родственных микроорганизмов.

После введения стрептомицин быстро и полностью всасывается из места инъекции.

Распределяется во всех тканях организма. Связывание с белками плазмы низкое (0 - 10%). Не метаболизируется. T1/2 - 2 - 4 ч. Выводится в неизмененном виде с мочой.

8) Информационная функция

Нуклеиновые кислоты или полинуклеотиды - это сополимеры четырех типов нуклеотидов, представляющих собой сложные эфиры фосфорной кислоты и пентозы (пятичленного циклического сахара), в молекуле которой одна из гидроксильных групп замещена азотистым основанием.

В природе существует два типа нуклеиновых кислот, различающихся входящими в их молекулы пентозами - рибонуклеиновая кислота (РНК), содержащая рибозу, и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), содержащая дезоксирибозу.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

Так же, как ДНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом.

Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию.

Все клеточные организмы используют РНК для программирования синтеза белков.

Добро Л. Ф., Богатов Н. М., Митина О.Е.

Д56 Лабораторный практикум по оптике. Ч. 1/ Л. Ф. Добро,

Н. М. Богатов. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2012. 96 с.

Дается описание 8 лабораторных работ по курсу «Оптика». Приведены теоретические сведения, методические указания по выполнению работ, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.

Адресуется студентам физико-технического факультета КубГУ.

УДК 577 (075.8)

ББK 28.071 .Я 73

©Кубанский государственный

университет, 2012

©Добро Л. Ф., Богатов Н. М., Митина О.Е., 2012

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум по курсу «Оптика» представляет собой математическое обобщение наблюдений, практического опыта и эксперимента. Он органически связан со многими областями современного естествознания и служит научной основой решения многих прикладных технический задач.

Формирование навыков выполнения физического эксперимента – необходимый элемент физико-технического образования. Анализ экспериментальных данных позволяет убедиться в соответствии выводов теории результатам опытов.

В ходе исследования устанавливаются количественные зависимости между различными явлениями, которые определяются в результате измерений. Вследствие различных причин никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, поэтому следует не только определять саму величину, но и оценивать погрешность измерений.

Описания лабораторных работ настоящего практикума построены по общей схеме и включают необходимые сведения о цели работы, используемом оборудовании, порядке выполнения и форме представления результатов измерений. При подготовке к лабораторным работам необходимо также пользоваться конспектами лекций, учебной и специальной литературой. Так, прямые ответы на некоторые контрольные вопросы по теме изучаемых физических явлений не содержатся в тексте работ.

После выполнения лабораторной работы студент обязан представить на следующем лабораторном занятии оформленный отчет и сдать работу. При сдаче лабораторной работы необходимо владеть теоретическим материалом, знать ответы на контрольные вопросы, уметь комментировать полученные результаты и погрешности измерений, быть готовым продемонстрировать на лабораторной установке любые этапы эксперимента. Требования по оформлению работ в целом стандартны. Все экспериментальные результаты, должны сопровождаться оценкой погрешности измерений независимо от того, есть ли об этом специальные указания в работе или нет.

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ОПТИЧЕСКИХ СРЕД

Задание 1.1. Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа

Приборы и принадлежности: микроскоп с микрометрическим перемещением тубуса; микрометр; стеклянная пластинка с меткой на одной поверхности; пластинка из исследуемого стекла с метками на обеих поверхностях; чистая пластинка из исследуемого стекла.

Цель задания : изучить методику измерений показателя преломления с помощью микроскопа, имеющего микрометрическое перемещение тубуса, и экспериментально определить показатель преломления стекла двумя способами.

Краткая теория

При наблюдении предмета сквозь слой воды или стеклянную пластинку предмет всегда кажется расположенным ближе к наблюдателю, чем в действительности. Это кажущееся приближение связано с преломлением света на границе пластинки с воздухом и зависит как от толщины пластинки, так и от её показателя преломления. Измеряя толщину пластинки с помощью микрометра, а кажущееся смещение предмета при наблюдении сквозь пластинку с помощью микроскопа, тубус которого снабжен микрометрическим винтом, можно определить показатель преломления стеклянной пластинки.

Установим связь между показателем преломления стекла n, толщиной пластинки d и величиной а кажущегося поднятия точки S предмета, находящейся в соприкосновении с нижней поверхностью пластинки. При этом будем предполагать, что глаз находится на нормали к плоскости пластинки, проходящей через точку S (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Прохождение света сквозь стеклянную пластинку

Рассмотрим ход луча SB , направленного под малым углом r к нормали. Преломившись в точке В , он выходит в воздух под углом, определяемым уравнением

sini =n sinr. (1.1)

Наблюдателю кажется, что рассматриваемый луч и другие близкие к нормали лучи исходят из точки S" . Интересующая нас величина кажущегося поднятия a равна разности AS – AS" = а.

Из треугольников ABS и ABS" следует, что

Отсюда имеем , .

При малости углов r и i отношение их тангенсов может быть заменено отношением синусов .

Воспользовавшись (1.1), получаем , .

Таким образом, зная толщину пластины и величину кажущегося поднятия, можно определить показатель преломления. Кажущееся поднятие определяется при помощи микроскопа, имеющего винт для точного перемещения тубуса. Здесь возможны два отличных друг от друга способа, причем максимальная точность результатов достигается, когда наблюдаемая в микроскоп метка находится в центральной части поля зрения.

Способ 1. Пусть микроскоп сфокусирован на какой-либо штрих, нанесённый на предметное стекло. Если на предметное стекло положить исследуемую стеклянную пластину толщиной d, то для фокусировки микроскопа на тот же штрих его тубус нужно переместить вверх на некоторое расстояние a (рис. 1.2). Следовательно, показатель преломления n рассчитывается по формуле (1.2)

Рис. 1.2. Смещение тубуса микроскопа при наблюдении предмета через пластинку и без неё

Способ 2 . Пусть на столике микроскопа лежит исследуемая плоскопараллельная стеклянная пластинка толщиной d и микроскоп сфокусирован на метку, находящуюся на её верхней стороне.

Для того чтобы увидеть в микроскоп метку, находящуюся на нижней стороне пластинки, его тубус необходимо переместить вниз на некоторое расстояние h (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Смещение микроскопа при перефокусировке с верхней стороны прозрачной пластинки на нижнюю

Показатель преломления следует определять по формуле (1.3):

Порядок выполнения задания 1.1

Способ 1 . Микроскоп устанавливают так, чтобы лучи света падали на зеркало и отражались в объективе микроскопа. При этом в окуляр микроскопа будет видно светлое поле. На предметный столик кладут рассматриваемый объект (стеклянная пластинка с меткой) и укрепляют его лапками. Сначала грубо, при помощи кремальеры, а затем точно, при помощи микрометрического винта, устанавливают максимально резкое изображение объекта и замечают показания микрометрического винта. Затем накрывают объект исследуемой стеклянной пластиной и вращением микрометрического винта восстанавливают резкость изображения. При этом отсчитывают целое число оборотов микрометрического винта и число делений.

Разность отсчетов микрометрического винта микроскопа равна кажущемуся поднятию объекта. Один оборот винта передвигает тубус микроскопа на 0,1 мм. Одно деление микровинта соответствует 0,002 мм передвижения тубуса. Эти измерения повторяют несколько раз и находят среднее значение. Показатель преломления определяют по формуле (1.2).

Толщину исследуемой пластинки измеряют микрометром. Это измерение проводят тоже несколько раз в том месте пластинки, которое было под объективом микроскопа, и находят среднее значение. Результаты измерений заносят в табл. 1.1.

Таблица 1.1

№ п/п	d , мм	d ср, мм	a , мм	a ср , мм	n ср	∆n	∆n/n
1-й способ
…
2-й способ
…

Способ 2 . На предметный столик кладут пластинку, на поверхности которой нанесены одна над другой метки, верхняя из них должна быть полупрозрачной. Переходя от наблюдения верхней метки к наблюдению нижней, мы как бы опускаем наблюдаемый объект на толщину пластинкиd , однако нижняя метка кажется отстоящей по нормали от верхней не на толщину d , а лишь на расстояние (d – а), на которое нужно опустить тубус. Расстояние (d – а) обозначено через h (рис. 1.3). Формула для вычисления показателя преломления (см. формулу 1.3).

Относительная ошибка находится по формулам:

в 1-м способе ,

во 2-м способе

Контрольные вопросы к заданию 1.1

1. Что называется показателем преломления?

2. Каков физический смысл абсолютного и относительного показателей преломления?

3. В чем заключается закон преломления света?

4. От чего зависит величина кажущегося поднятия предмета, рассматриваемого через стекло?

5. Почему максимальная точность результата работы получается тогда, когда объект находится в центральной части поля зрения?

6. Чему равно увеличение микроскопа? Как вычислить увеличение микроскопа в соответствии с данными, указанными на объективе и окуляре?

7. Чем ограничивается толщина пластинки, которую можно применить в данной работе?

Задание 1.2. Определение показателя преломления и концентрации раствора сахара рефрактометром

Приборы и принадлежности: рефрактометр Аббе (РПЛ-2); набор исследуемых сахарных растворов различной концентрации.

Цель задания : ознакомиться с принципом действия рефрактометра, определить показатель преломления сахарных растворов.

Краткая теория

Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу раздела двух средсо стороны оптически более плотной среды n 2 (рис. 1.4). Для углов падения r , меньших некоторого r" (луч 1 ), часть светового потока, преломляясь, проникает в менее плотную среду n 1 (луч 1"" ), а часть отражается от границы раздела (луч 1" ). При углах падения r" < r"" < 90° преломления света не происходит и наступает полное внутреннее отражение (луч 2" ). Предельный угол полного внутреннего отражения r" соответствует углу преломления r"" = 90° и, следовательно,

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно вычислить показатель преломления второй среды.

Рис. 1.4. Полное внутреннее отражение при переходе луча из более плотной в менее плотную оптическую среду, n 2 > n 1

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча. Оптическая схема рефрактометра показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Оптическая схема рефрактометра Аббе

Основная его часть содержит две стеклянные прямоугольные призмы P 1 и Р 2 , изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

При освещении призм Р 1 и Р 2 белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом Л 2 зрительной трубы помещают две призмы прямого зрения П 1 и П 2 (призмы Амичи). Каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, а средняя – из флингласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 5893 Å не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором. Л 1 - окуляр с отсчётной шкалой, расположенной в фокальной плоскости объектива Л 2 .

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 1.6. Свет проникает в призму Р 1 через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0° £ i 1 £ 90°) падает на сторону AC призмы Р 2 . Скользящему лучу в жидкости (i 1 = 90°) соответствует предельный угол преломления r 1 . Преломленные лучи с углами больше r 1 не возникают. В связи с этим угол i 2 выхода лучей из грани AB может изменяться лишь в интервале от некоторого значения i 2 до 90°.

Рис. 1.6. Ход луча в призмах при использовании метода скользящего луча

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу Л 1 , то в её фокальной плоскости наблюдается резкая граница светлого и темного полей. Граница рассматривается с помощью линзы Л 2 . Линзы Л 1 и Л 2 образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями. Положение границы в фокальной плоскости линз зависит от величины показателя преломления жидкости n. Вращая трубу относительно призм, можно совместить границу раздела света и тени с центром креста. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла i 2 , образованного нормалью к грани AB и оптической осью зрительной трубы.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму Р 2 освещают со стороны грани BС (рис. 1.7) через специальное отверстие в кожухе прибора.

Рис. 1.7. Ход лучей при использовании метода полного внутреннего отражения

Грань BС делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела AC под всевозможными углами. При r 1 > r" 1 наступает полное внутреннее отражение, при r 1 < r" 1 свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отражения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях тоже оказывается одинаковым.