[科普中國(guó)]-折光率

折光率是指有機(jī)化合物最重要的物理常數(shù)之一，它能精確而方便地測(cè)定出來(lái)，作為液體物質(zhì)純度的標(biāo)準(zhǔn)，它比沸點(diǎn)更為可靠。折光率也用于確定液體混合物的組成。

光線(xiàn)自一種透明介質(zhì)進(jìn)入另一透明介質(zhì)時(shí),由于光線(xiàn)在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同,使光線(xiàn)在兩種介質(zhì)的平滑界面上發(fā)生折射。折光率( refractive index)是指光線(xiàn)在空氣中進(jìn)行的速度與在供試品中進(jìn)行速度的比值1。

定義根據(jù)折射定律,折光率(n)是光線(xiàn)入射角(i)的正弦與折射角(r)正弦的比值,即：

式中,n為折光率;sin i為光線(xiàn)的入射角的正弦;sin r為光線(xiàn)的折射角的正弦2。

物質(zhì)的折光率與溫度和入射光波長(zhǎng)有關(guān),透光物質(zhì)的溫度升高,折光率變小;入射光的波長(zhǎng)越短,折光率越大。折光率以n表示,D為鈉光譜的D線(xiàn),t為測(cè)定時(shí)的溫度。

**折光率定義：**n =c/c1，其中c1表示在不同介質(zhì)里的光速。比如光在玻璃里的速度是在真空中的0.5倍，那么玻璃相對(duì)真空的折光率為2。

物質(zhì)的折光率因溫度或光線(xiàn)波長(zhǎng)的不同而改變，透光物質(zhì)的溫度升高，折光率變小；光線(xiàn)的波長(zhǎng)越短，折光率越大。作為液體物質(zhì)純度的標(biāo)準(zhǔn)，折光率比沸點(diǎn)更為可靠。利用折光率，可以鑒定未知化合物，也用于確定液體混合物的組成。所以濃度也應(yīng)該可以測(cè)出。事實(shí)上有大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)照相應(yīng)表格可以進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。

測(cè)定法光線(xiàn)自一種透明介質(zhì)進(jìn)入另一透明介質(zhì)的時(shí)候，由于兩種介質(zhì)的密度不同，光的進(jìn)行速度發(fā)生變化，即發(fā)生折射現(xiàn)象，一般折光率系指光線(xiàn)在空氣中進(jìn)行的速度與供試品中進(jìn)行速度的比值。 根據(jù)折射定律，折光率是光線(xiàn)入射角的正弦與折角的正弦的比值，即：n=sin i/sin r。式中n為折光率，Sin i為光線(xiàn)入射角的正弦，Sin r為折射角的正弦。

主要特征折光率是有機(jī)化合物最重要的物理常數(shù)之一，它能精確而方便地測(cè)定出來(lái)，作為液體物質(zhì)純度的標(biāo)準(zhǔn)，它比沸點(diǎn)更為可靠。利用折光率，可鑒定未知化合物。如果一個(gè)化合物是純的，那么就可以根據(jù)所測(cè)得的折光率排除考慮中的其它化合物，從而識(shí)別出這個(gè)未知物來(lái)。

折光率也用于確定液體混合物的組成。在蒸餾兩種或兩種以上的液體混合物且當(dāng)各組分的沸點(diǎn)彼此接近時(shí)，那么就可利用折光率來(lái)確定餾分的組成。因?yàn)楫?dāng)組分的結(jié)構(gòu)相似和極性，混合物的折光率和物質(zhì)的量組成之間常呈線(xiàn)性關(guān)系。例如，由1mol四氯化碳和1mol甲苯組成的混合物，為1.4822，而純甲苯和純四氯化碳在同一溫度下分別為1.4944和1.4651。所以，要分餾此混合物時(shí)，就可利用這一線(xiàn)性關(guān)系求得餾分的組成3。

物質(zhì)的折光率不但與它的結(jié)構(gòu)和光線(xiàn)波長(zhǎng)有關(guān)，而且也受溫度、壓力等因素的影響。所以折光率的表示須注明所用的光線(xiàn)和測(cè)定時(shí)的溫度，常用n表示。D是以**鈉燈的D線(xiàn)（5893A0）**作光源，t是與折光率相對(duì)應(yīng)的溫度。例如，表示20℃時(shí)，該介質(zhì)對(duì)鈉燈的D線(xiàn)的折光率。由于通常大氣壓的變化，對(duì)折光率的影響不顯著，所以只在很精密的工作中，才考慮壓力的影響。一般地說(shuō)，當(dāng)溫度增高一度時(shí)，液體有機(jī)化合物的折光率就減小3.5×10-4-5.5×10-4。某些液體，特別是測(cè)求折光率的溫度與其沸點(diǎn)相近時(shí)，其溫度系數(shù)可達(dá)7×10-4。在實(shí)際工作中，往往把某一溫度下測(cè)定的折光率換算成另一溫度下的折光率。為了便于計(jì)算，一般用4×10-4為溫度變化常數(shù)。這個(gè)粗略計(jì)算所得的數(shù)值可能略有誤差，但卻有參考價(jià)值。

如何測(cè)定基本原理

一般地說(shuō)，光在兩個(gè)不同介質(zhì)中的傳播速度是不相同的。所以光線(xiàn)從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)，當(dāng)它的傳播方向與兩個(gè)介質(zhì)的界面不垂直時(shí)，則在界面處的傳播方向發(fā)生改變。這種現(xiàn)象稱(chēng)為光的折射現(xiàn)象。根據(jù)折射定律，波長(zhǎng)一定的單色光線(xiàn)，在確定的外界條件（如溫度、壓力等）下，從一個(gè)介質(zhì)A進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)B時(shí)，入射角α和折射角β的正弦之比和這兩個(gè)介質(zhì)的折光率N（介質(zhì)A的）與n（介質(zhì)B的）成反比，即：若介質(zhì)A是真空，則定其N(xiāo)=1，n為介質(zhì)的絕對(duì)折光率，所以一個(gè)介質(zhì)的折光率，就是光線(xiàn)從真空進(jìn)入這個(gè)介質(zhì)時(shí)的入射角和折射角的正弦之比。這種折光率稱(chēng)為該介質(zhì)的絕對(duì)折光率4。通常測(cè)定的折光率，都是以空氣作為比較的標(biāo)準(zhǔn)。

阿貝折光儀及操作方法

當(dāng)光由介質(zhì)A進(jìn)入介質(zhì)B，如果介質(zhì)A對(duì)于介質(zhì)B是疏物質(zhì)，即nA

為了測(cè)定值，阿貝折光儀采用了“半明半暗”的方法，就是讓單色光由 0-90°的所有角度從介質(zhì)A射入介質(zhì)B，這時(shí)介質(zhì)B中臨界角以?xún)?nèi)的整個(gè)區(qū)域均有光線(xiàn)通過(guò)，因而是明亮的；而臨界角以外的全部區(qū)域沒(méi)有光線(xiàn)通過(guò)，因而是暗的，明暗兩區(qū)域的界線(xiàn)十分清楚。如果在介質(zhì)B的上方用一目鏡觀(guān)測(cè)，就可看見(jiàn)一個(gè)界線(xiàn)十分清晰的半明半暗的象。

介質(zhì)不同，臨界角也就不同，目鏡中明暗兩區(qū)的界線(xiàn)位置也不一樣。如果在目鏡中刻上一“十”字交叉線(xiàn)，改變介質(zhì)B與目鏡的相對(duì)位置，使每次明暗兩區(qū)的界線(xiàn)總是與“十”字交叉線(xiàn)的交點(diǎn)重合，通過(guò)測(cè)定其相對(duì)位置（角度）并經(jīng)換算，便可得到折光率。而阿貝折光儀的標(biāo)尺上所刻的讀數(shù)即是換算后的折光率，故可直接讀出。同時(shí)阿貝折光儀有消色散裝置，故可直接使用日光，其測(cè)得的數(shù)字與鈉光線(xiàn)所測(cè)得的一樣。這些都是阿貝折光儀的優(yōu)點(diǎn)所在。

阿貝折光儀的使用方法：先使折光儀與恒溫槽相連接，恒溫后，分開(kāi)直角棱鏡，用絲絹或擦鏡紙沾少量乙醇或丙酮輕輕擦洗上下鏡面。待乙醇或丙酮揮發(fā)后，加一滴蒸餾水于下面鏡面上，關(guān)閉棱鏡，調(diào)節(jié)反光鏡使鏡內(nèi)視場(chǎng)明亮，轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡直到鏡內(nèi)觀(guān)察到有界線(xiàn)或出現(xiàn)彩色光帶；若出現(xiàn)彩色光帶，則調(diào)節(jié)色散，使明暗界線(xiàn)清晰，再轉(zhuǎn)動(dòng)直角棱鏡使界線(xiàn)恰巧通過(guò)“十”字的交點(diǎn)。記錄讀數(shù)與溫度，重復(fù)兩次測(cè)得純水的平均折光率與純水的標(biāo)準(zhǔn)值（ =1.33299）比較，可求得折光儀的校正植，然后以同樣方法測(cè)求待測(cè)液體樣品的折光率。校正值一般很小，若數(shù)值太大時(shí)，整個(gè)儀器必須重新校正。

注意事項(xiàng)

使用折光儀應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：

（1）阿貝的量程從1.3000至1.7000，精密度為±0.0001；測(cè)量時(shí)應(yīng)注意保溫套溫度是否正確。如欲測(cè)準(zhǔn)至±0.0001，則溫度應(yīng)控制在±0.1℃的范圍內(nèi)。

（2）儀器在使用或貯藏時(shí)，均不應(yīng)曝于日光中，不用時(shí)應(yīng)用黑布罩住。

（3）折光儀的棱鏡必須注意保護(hù)，不能在鏡面上造成刻痕。滴加液體時(shí)，滴管的末端切不可觸及棱鏡。

（4）在每次滴加樣品前應(yīng)洗凈鏡面；在使用完畢后，也應(yīng)用丙酮或95%乙醇洗凈鏡面，待晾干后再閉上棱鏡。

（5）對(duì)棱鏡玻璃、保溫套金屬及其間的膠合劑有腐蝕或溶解作用的液體，均應(yīng)避免使用。

最后還應(yīng)當(dāng)指出，阿貝折光儀不能在較高溫度下使用；對(duì)于易揮發(fā)或易吸水樣品測(cè)量有些困難；另外對(duì)樣品的純度要求也較高。

折光率的溫度校正

一般地說(shuō)，當(dāng)溫度增高一度時(shí)，液體有機(jī)化合物的折光率就減小3.5×10-4-5.5×10-4。某些液體，特別是待求折光率的溫度與其沸點(diǎn)相近時(shí)，其溫度系數(shù)可達(dá)7×10-4。在實(shí)際工作中，往往把某一溫度下測(cè)定的折光率換算成另一溫度下的折光率。為了便于計(jì)算，一般把4.5×10-4作為溫度變化常數(shù)。這個(gè)粗略計(jì)算所得的數(shù)值可能略有誤差，但卻有參考價(jià)值。換言之，折光率隨溫度的升高而降低，攝氏溫度每變化1度，折光率大約改變0.00045。我們能夠通過(guò)下面的公式計(jì)算得到校正到20℃的折光率：nD(t) = nD(20) - 0.00045(t-20℃)

其中 nD(t)是在溫度t時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的折光率。這表明在實(shí)驗(yàn)溫度高于20℃時(shí)，nD(20)比nD(t)大；而實(shí)驗(yàn)溫度低于20℃時(shí)，nD(20)則比nD(t)小。

例：已知 nD(t) =1.3667， t=25.2℃，計(jì)算nD(20)。

nD(t)=nD(20) - 0.00045(t-20℃)

nD(20)=1.3667+0.00045(25.2℃-20℃)

=1.3667+0.00045 × 5.2

=1.36904

影響折光率因素

光波長(zhǎng)的影響

物質(zhì)的折射率因光的波長(zhǎng)而異，波長(zhǎng)較長(zhǎng)折射率較小，波長(zhǎng)較短折射率較大。測(cè)定時(shí)光源通常為白光。當(dāng)白光經(jīng)過(guò)棱鏡和樣液發(fā)生折射時(shí)，因各色光的波長(zhǎng)不同，折射程度也不同，折射后分解成為多種色光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為色散。光的色散會(huì)使視野明暗分界線(xiàn)不清，產(chǎn)生測(cè)定誤差。為了消除色散，在阿貝折光儀觀(guān)測(cè)鏡筒的下端安裝了色散補(bǔ)償器。

溫度的影響

溶液的折射率隨溫度而改變，溫度升高折射率減??；溫度降低折射率增大。折光儀上的刻度是在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下刻制的，所以最好在20℃下測(cè)定折射率。否則，應(yīng)對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行溫度校正。超過(guò)20℃時(shí)，加上校正數(shù)；低于20℃時(shí)，減去校正數(shù)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳波 - 副教授 - 中央財(cái)經(jīng)大學(xué)