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 N данного сорта в единице объема. Другими словами, если в данном растворе содержится N 1 молекул воды, поляризуемость которой α 1 и N 2 молекул сахарозы (C 12 H 22 O 11), поляризуемость которой α 2 , то мы должны получить

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 г/см 3 , 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.

Попытаемся теперь подсчитать n для каждой концентрации, но мы не знаем, какие нужно взять значения α 1 и α 2 . Проверим теорию таким способом: будем предполагать, что поляризуемость воды (α 1 ) при всех концентрациях одна и та же, и подсчитаем поляризуемость сахарозы, используя экспериментальную величину n и разрешая (32.37) относительно α 2 . Если теория верна, то мы для любой концентрации должны получить одно и то же значение α 2 .

Прежде всего нам нужно знать числа N 1 и N 2 ; выразим их через число Авогадро N 0 . В качестве нашей единицы объема давайте возьмем один литр (1000 см 3). Тогда отношение N¡/N 0 равно весу одного литра, поделенному на грамм-молекулу. А вес литра равен произведению плотности (умноженной на 1000, чтобы получить граммы) на весовую долю либо сахарозы, либо воды. Таким путем получаем N 2 / N 0 и N 1 /N 0 , записанные в столбцах D и Е нашей таблицы.

В столбце F мы подсчитали 3(n 2 —1)/(n 2 +2), исходя из экспериментальных значений n (столбец С). Для чистой воды 3(n 2 —1)/(n 2 +2) равно 0,617, что как раз будет N 1 α 1 . Затем мы можем заполнить остальную часть колонки G, поскольку для каждой строки отношение G/E должно быть одной и той же величиной, именно 0,617: 55,5. Вычитая столбец G из столбца F, находим вклад N 2 α 2 , вносимый сахарозой, который записан в столбце Н. А затем, поделив эти данные на величину N 2 / N 0 из столбца D, мы получаем величину N o α 2 , приведенную в столбце I.

Из нашей теории мы ожидали, что все величины N 0 α 2 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.

Брикс – это самая распространенная шкала калибровки рефрактометров. Брикс выражает концентрацию раствора химически чистой сахарозы в дистиллированной воде в массовых процентах (количество граммов сахарозы в 100 граммах раствора) и используется для выражения в массовых процентах концентрации сахарных растворов в общем случае.

Показатели преломления водных растворов сахарозы при 20°С

По данным 20-й конференции ICUMSA (International Comission of Uniform Methods for Sugar Analysis) 1990 г.

от концентрации при 20°С

Поправки на температуру для рефрактометрического анализа
водных растворов сахарозы

Концентрация раствора сахарозы, %

Вычесть из найденного содержания сахарозы, %

Прибавить к найденному содержанию сахарозы, %

Происхождение слова Брикс (Brix)

Профессор А.Брикс (Brix) – немецкий химик 19-го века (1798 - 1890). Он был первым, кто измерил плотность соков, полученных из плодов растений, с помощью поплавкового плотномера (ареометра). Виноделы Европы были обеспокоены тем, что не могли предсказать из какого винограда получится наилучшее вино. Возможность прогнозировать качество будущего вина была чрезвычайно важна для них, поскольку лучшие вина стоили во много раз дороже ординарных. Современники высоко оценили открытие профессора Брикса и назвали его именем новую единицу измерения.
Брикс – это массовое процентное содержание сухих веществ в плодовом соке.
Брикс ныне определяют, как процентное содержание сахарозы в растворе. Приборы, определяющие концентрацию в единицах Брикс, калибруются именно по растворам сахарозы в воде. В действительности при измерении концентрации плодовых соков в единицах Брикс, мы получаем некое суммарное количество граммов сахарозы, фруктозы, кислот, солей, витаминов, аминокислот, протеинов и других веществ, содержащихся в 100 граммах сока и эквивалентное соответствующему количеству сахарозы. Поэтому соки менее сладкие на вкус, чем аналогичные по величине Брикс растворы сахарозы.
Брикс напрямую связан с качеством плодов. Например, виноград с невыразительным кислым вкусом, выращенный на истощенной почве имеет величину Брикс не более 8, а виноград с богатым вкусом, выращенный на плодородной почве имеет Брикс до 24 и более.
Таким образом, сахар является только одним из компонентов Брикс. При этом нужно помнить, что некоторые вещества могут искажать значение Брикс, например спирт, уксус. Для контроля растительного масла, сиропа, мелассы и других плотных жидкостей требуется рефрактометр, калиброванный в диапазоне 30 – 90 Брикс. Мед проверяют рефрактометром со шкалой, размеченной в единицах содержания воды, а не в единицах содержания сухих веществ в воде, как обычно.

Определение качества некоторых плодов
по величине Брикс содержащегося в них сока

Фрукты и ягоды	Качество					Овощи, корнеплоды, бобовые	Качество
Авокадо						Арахис
Ананас						Брокколи
Апельсин						Бобы зеленые
Арбуз						Брюква
Банан						Горошек зеленый
Виноград						Капуста белокочанная
Вишня						Капуста цветная
Грейпфрут						Картофель
Груша						Картофель сладкий
Дыня зимняя						Кольраби
Дыня мускусная						Кукуруза сладкая
Земляника						Лук репчатый
Изюм						Морковь
Кокос						Перец жгучий
Кумкват						Петрушка
Лайм						Репа
Лимон						Салат-латук
Малина						Свекла
Манго						Сельдерей
Папайя						Спаржа
Персик						Томаты
Черника						Тыква
Яблоки						Фасоль зеленая

Рефрактометрия в фармацевтике.

Процесс измерения концентрации различных веществ методом измерения преломления и определения коэффициента преломления получил своё название - рефрактометрия . Приборы, использующие в своей работе принцип рефрактометрии, называются рефрактометрами. Широкое применение рефрактометры получили в разных промышленностях: для идентификации химических соединений, определения физико-химических параметров, для количественного и структурного анализа. В пищевой промышленности - для измерения содержания спирта в алкогольных продуктах, контроля содержания сахара в сахарном производстве - в общем, для установления качества пищевых продуктов. В фармакологии рефрактометры применяются для определения количества глюкозы в биологических жидкостях и лекарственных средств в растворах. Достоинства рефрактометрических методов химического количественного анализа - быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность.
Задача работы: Рефрактометрический метод как метод анализа лекарственных веществ. Актуальность использования в фармацевтике и, как частное, – в аптеках.

Теоретическая часть.
Показателем преломления (индексом рефракции) называют отношение скорости света в вакууме к скорости света в испытуемом веществе (абсолютный показатель преломления). Показатель преломления зависит от температуры и длины волны света, при которой проводят определение. В растворах показатель преломления зависит также от концентрации вещества и природы растворителя. При этом на практике определяют так называемый относительный показатель преломления (n), который рассчитывается как отношение синуса угла падения луча (α) к синусу угла преломления (β) для двух соприкасающихся сред.
Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в этих средах :

В лабораторных условиях обычно определяют так называемый относительный показатель преломления (ПП) вещества по отношению к воздуху. ПП измеряют на рефрактометрах различных систем. Раньше измерение ПП чаще всего производилось с использованием , работающего по принципу полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с различными показателями преломления. В настоящее время в лаборатории всё чаще можно встретить автоматические рефрактометры ATAGO серии RX.
Диапазон измеряемых ПП при измерении в проходящем свете с использованием , – 1.3000 – 1.7000. Если необходимо раздвинуть границы диапазонов, применяют специальные модели с низкики или высокими диапазонами, а также многоволновые рефрактометры Аббе.
Диапазон измеряемых ПП при измерении на автоматических рефрактометрах серии RX – 1.32500 – 1.70000.
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. Обычно измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия). Но в некоторых случаях используются разные длины волн в диапазоне от 450нм до 1550нм. Очень важным условием определения ПП является соблюдение температурного режима. Как правило, определение выполняется при 20 градусах по шкале Цельсия. При температуре свыше 20 градусов - величина ПП уменьшается, при температуре ниже 20 градусов – величина ПП увеличивается.

Поправка на температуру рассчитывается по формуле:

n 1 =n 20 +(20-T)*0,0002

Показатель преломления, измеренный при 20° С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом n 20 .
Показатель преломления может быть использован как константа для установления подлинности и чистоты тех лекарственных препаратов, которые по своей природе являются жидкостями. Рефрактометрический метод широко используется в фармацевтическом анализе для количественного определения концентрации веществ в растворе, которую находят по графику зависимости показателя преломления раствора от концентрации. На графике выбирают интервал концентраций, в котором наблюдается линейная зависимость между показателем преломления и концентрацией. Такой способ может использоваться в практике внутриаптечного контроля.
Зависимость показателя преломления от концентрации вещества в процентах выражается формулой:

Где n и n 0 - 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.
Значения показателей преломления и факторов для различных концентраций растворов лекарственных веществ приведены в рефрактометрических таблицах, которые имеются в руководстве по внутриаптечному контролю. Использование таблиц значительно упрощает расчёты.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Определение концентрации вещества в растворе.
В рефрактометрии используют два способа расчёта концентрации вещества в растворе по измеренному показателю преломления.

• Расчет концентрации по формуле:

Значение фактора показателя преломления берется из рефрактометрических таблиц.

• Расчет концентрации по рефрактометрическим таблицам.

Измерив показатель преломления, в таблице находят соответствующее ему значение концентрации. Если измеренный показатель преломления в таблице не приведен, проводится интерполирование.
Рефрактометрический метод используется для количественного определения концентрированных растворов.
Концентрированные растворы - это рабочие растворы лекарственных веществ (ЛВ) опредёленной, более высокой концентрации, чем эти растворы прописываются в аптеках.
При приготовлении концентрированных растворов следует избегать концентраций близких к насыщенным, т.к. при понижении температуры раствора возможна кристаллизация растворённого вещества.
Отклонения, допускаемые в концентратах:
при содержании ЛВ до 20% - не более ± 2% от обозначенного процента;
при содержании ЛВ свыше 20% - не более ± 1% от обозначенного процента (Пр. МЗ РФ от 16.10.97).
Формулы расчёта для исправления концентрации растворов, изготовленных массообъёмным способом.
1) Концентрация раствора оказалась выше требуемой.
Объем воды, необходимый для разбавления полученного раствора, вычисляют по формуле:

Где Х - количество воды, необходимое для разбавления изготовленного раствора (мл.);
А - объём изготовленного раствора (мл.);
С - фактическая концентрация раствора (%).
2) Концентрация раствора оказалась ниже требуемой.
Массу ЛВ для укрепления полученного раствора вычисляют по формуле:

Где Х - масса вещества, которую следует добавить к раствору (г);
А - объем изготовленного раствора (мл.);
В - требуемая концентрация раствора (%);
С - фактическая концентрация раствора (%);
ρ 20 - плотность раствора при 20° С (г/мл, г/см 3)

Рефрактометры, лучше всего подходящие для аптек: , серия NAR/ , ATAGO.

Рефрактометры серии NAR или DR-A1 предназначены для измерения показателя преломления и средней дисперсии неагрессивных жидкостей. Это очень качественный приборы. Простые в обслуживании. Минимальны в содержании. Фактически расходный материал для этих рефрактометров – лампочка (источник света).
Рефрактометры ATAGO серии или применяются:
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 рефрактометры ATAGO могут 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 используют рефрактометры ATAGO на сахарных и хлебных заводах, кондитерских фабриках для анализа продуктов и сырья, полуфабрикатов, кулинарных и мучных изделий, для определения влажности меда (до 30 %). В производстве сахара широкое применение получили поляриметры АТАГО. Поляриметры на сахарном заводе измеряют концентрацию и чистоту сахара в сахарной свекле или сахарном тростнике на этапе приемки сырья.
Для определения доли сухих веществ в различных суслах (ГОСТ 5900-73), сахароагаровом сиропе, сиропе для мармелада, зефира, кремов и пряников.
Для определение массовой доли растворимых сухих веществ по сахарозе (% Brix) в продуктах переработки плодов и овощей, для определения процентного содержания жира в твёрдых продуктах питания (пряниках, вафлях или хлебобулочных изделиях) концентрации солей.
4.При обслуживании техники применяются рефрактометры ATAGO для определения с большей точностью объёмной 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 сокращают время и повышают достоверность получения анализов по процентному содержанию жидкости "ИМ" в авиационном топливе.

Автоматический лабораторный рефрактометры серии RX с микропроцессорным управлением предназначены для исследования концентрации широкого диапазона жидких сред как низкой, так и высокой вязкости, независимо от прозрачности и цвета. обеспечивают высокую точность измерения, точный контроль за температурой. Весь процесс измерения (нагрев/охлаждение) проходит в автоматическом режиме. Достаточно просто нажать клавишу Старт. Прибор автоматически измеряет коэффициент преломления образца раствора, вычисляет его концентрацию и представляет результат на цифровом ЖК-экране. снабжен экраном, который выполнен по технологии «Тач скрин» - сенсорный экран, всё управление прибором осуществляется с экрана. Автоматические рефрактометры серии RX могут как нагревать/охлаждать образец за счет встроенных элементов Пельтье, так и использовать функцию автоматической температурной компенсации при проведении измерения. Идеальный прибор для фармацевтов из этой серии - автоматический рефрактометр и .

Определение концентрации спирта в лекарственных формах рефрактометрическим методом.
Спирт этиловый (этанол, Spiritus aethylicus) - один из наиболее широко используемых органических растворителей в медицинской и фармацевтической практике. Этанол обладает бактериостатическими и бактерицидными свойствами. Широко используется для получения настоек, экстрактов, лекарственных форм для наружного применения. Качество спиртовых растворов зависит от концентрации спирта, в котором растворён препарат. В каждом случае необходима оптимальная концентрация, при которой лекарственное вещество не выделится в осадок. Поэтому готовятся водно-спиртовые растворы с различной концентрацией спирта. Количественное содержание этилового спирта легко определяется рефрактометрическим методом. Существует чёткая зависимость между концентрацией этилового спирта и коэффициентом преломления. Известно, что показатель преломления зависит от температуры, длины волны света, природы вещества и растворителя, концентрации вещества. Так вот показатель преломления водных растворов спирта от 1% до 70% имеет линейную характеристику, а значит можно легко измерить концентрацию рефрактометром. АТАГО производит специальные рефрактометры для измерения концентрации спирта. В общем, это обыкновенные рефрактометры, но в процессор «вшит» специальный поправочный коэффициент, позволяющий отображать на дисплее сразу же концентрацию водно-спиртового раствора, минуя показатель преломления. При концентрации от 70% до 96% - зависимость нелинейная. Таким образом, рефрактометрическим методом можно определить крепость спирта в пределах от 1% до 70%.

Практическая часть.
Рассмотрим применение рефрактометров при изготовлении и анализе раствора глицерина 10% для инъекций: Раствор глицерина 10% Глицерина (в пересчете на безводный) 100 г
1. Натрия хлорид 9,0 г. Воды до 1л.

Изготовление. От поставщиков покупается глицерин (высший сорт, динамитный) с количественным содержанием 86-90%, 94-98% и более. Поэтому, чтобы рассчитать количество исходного глицерина, необходимо точно знать, какова в нем массовая доля безводного вещества. Для точного измерения концентрации глицерина применяют рефрактометр. Показатель преломления исходного глицерина n=1,4569 соответствует массовой доле безводного вещества 89%. Исходное количество глицерина, которое требуется для изготовления раствора, по прописи 68:
2. Масса глицерина = 100 г./ 0,89 = 112,36 г.

Количественное определение глицерина в растворе. Вычисляем концентрацию глицерина:
С глиц = / F глиц,

где n - показатель преломления раствора;
n 0 - показатель преломления воды очищенной, измеренный при той же температуре;
С NaCl - концентрация натрия хлорида в растворе, определенная методом аргентометрии;
F NaCl - фактор показателя преломления раствора натрия хлорида для найденной концентрации;
F глиц - фактор преломления 10% раствора глицерина (0, 001156).

В фармацевтической промышленности рефрактометры ATAGO могут 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.

Примечание:
Если для одного из веществ, входящих в раствор, фактор показателя преломления неизвестен или незначительная его концентрация не позволяет получить точных данных, то готовят контрольный раствор, содержащий это вещество в той концентрации, которая была определена титрометрическим методом.
нашли применение во всех отраслях промышленности РФ. Рефрактометры и поляриметры АТАГО внесены в госреестр средств измерений РФ. Это позволяет применять приборы АТАГО в самых жёстко контроллируемых сферах производств - таких, как, например, фармацевтика.