Analyse mit einem Refraktometer

Analyse mit einem Refraktometer Übung

• Gib an, welche Eigenschaften sich mit einem Refraktometer überprüfen lassen.

  Tipps

  Ein Stoff kann dann als echt betrachtet werden, wenn der Messwert mit dem vorherbestimmten Wert bei charakteristischen Eigenschaften übereinstimmt.

  Lösung

  Ein Refraktometer misst den Brechungsindex eines lichtdurchlässigen Stoffes. Dieser Wert ist charakteristisch für jede chemische Verbindung. Daher kann mit dieser Methode die Echtheit eines Stoffes überprüft werden. Dies ist jedoch nicht in jedem Fall eindeutig möglich, da es Stoffe mit identischem Brechnugsindex gibt. In diesem Fall müssen weitere Eigenschaften untersucht werden.

  Da Verunreinigungen eines Stoffes den Brechnugsindex verändern, lässt sich mit der Methode auch die Reinheit eines Stoffes überprüfen.

  Der Brechungsindex einer Lösung ist abhängig von der Konzentration des gelösten Stoffes. Da diese Abhängigkeit linear ist, lässt sich so mit einem Refraktometer schnell und einfach die Konzentration eines Stoffes bestimmen.

• Definiere den Begriff des Brechungsindex eines Stoffes.

  Tipps

  Indices ist der Plural von Index.

  Betrachte den Ausfallswinkel. Ein größerer Winkel ist weiter entfernt vom Lot und ein kleinerer Winkel ist dichter am Lot.

  Lösung

  Je nach Beschaffenheit des Stoffes kann sich Licht mit einer bestimmten, für den Stoff charakteristischen Geschwindigkeit fortbewegen. Diese ist immer kleiner als die Lichtgewindigkeit im Vakuum. Dies verursacht die Lichtbrechung an Grenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen: Ein Lichtstrahl, der von dem einen Medium in das andere wechselt, wird unter einem bestimmten Winkel abgeleitet.

  Mit dem Brechungsgesetz lässt sich die Brechung berechnen, wenn man den Brechnungsindex eines Stoffes kennt. Dieser leitet sich aus dem Brechungsgesetz für den Übergang zwischen dem Vakuum und dem Stoff ab: Der Brechungsindex ist der Quotient von Einfallswinkel und Ausfallswinkel eines Lichstrahls. Da der Brechungsindex von Luft ungefähr eins ist, lassen sich die Brechungsindices aller anderen Stoffe über den gleichen Quotienten beim Übergang von Luft in den entsprechenden Stoff abschätzen.

• Deute das folgende Phänomen im Glas.

  Tipps

  Eine größere Brechzahl bedeutet, dass ein Lichtstrahl beim Übergang von der Luft stärker abgelenkt wird.

  Lösung

  Betrachtet man das Glas von der Seite, so nimmt man Lichtstrahlen wahr, die aus der Luft in eine der beiden Phasen übergehen, am Löffel reflektiert werden, wieder in die Luft übergehen und vom Auge wahrgenommen werden. Da der Lichtstrahl entsprechend dem Brechungsgesetz abgelenkt wird, erscheint der Löffel versetzt im Vergleich zu dem Teil des Löffels, der nicht in die Flüssigkeiten taucht.

  Wichtig ist, dass wir von der Seite nur den Übergang von der Luft zu einer der beiden Phasen beobachten. Die Lichtstrahlen, die beim Betrachten von der Seite wahrgenommen werden, gehen nicht durch die Luft und beide Phasen, werden also nicht an der Grenzschicht beider Phasen gebrochen. Daher sagt uns der Grad der Versetzung etwas über den Brechungsindex aus. Der Löffel erscheint in der oberen Phase stärker versetzt als in der unteren, daher werden die Lichtstrahlen im oberen Medium stärker abgelenkt. Dies spricht für einen größeren Brechungsindex in der oberen Phase.

  Der dargestellte Versuch ist also ein Beispiel dafür, wie man mit einfachen Mitteln den Brechungsindex von zwei Flüssigkeiten vergleichen kann.

• Erkläre das Funktionsprinzip eines Refraktometers.

  Tipps

  Die gleichzeitige Detektion von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge ist technisch schwierig.

  Lösung

  Das Prisma zerlegt das weiße Licht in Licht unterschiedlicher Farben, wie in der Abbildung gezeigt. Dies ist mit der unterschiedlich starken Brechung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu erklären. Der Winkel, um den das rote Licht abgelenkt wird, unterschiedet sich stark vom Winkel, unter dem das blaue Licht abgelenkt wird.

  Bei Messungen mit dem Refraktometer kommt es auf sehr exakte Ergebnisse an. Wird Licht mit mehr als einer Wellenlänge verwendet, lässt sich das Ergebnis schlechter auswerten, da die resultierenden Lichtstrahlen nach der Brechung nah beieinander liegen können. Die Verwendung von Licht mit mehr als einer Wellenlänge und die simultane Bestimmung mehrerer Brechungsindices ist daher nicht genau genug.

  Prismen brechen das Licht stärker. Dies macht man sich bei vielen Refraktometern zunutze. Allerdings sind nicht die Messküvetten prismenförmig, sondern das Licht wird durch ein Glasprisma und durch eine dünne Schicht der Probe geleitet. Bei einigen Refraktometern ist das Glasprisma zerschnitten und die Probe wird im Glasprisma platziert.

• Ermittle die Brechzahlen der Verbindungen.

  Tipps

  Die Linse des Auges besteht zu einem Großteil aus Wasser.

  Lösung

  Meist, aber nicht immer, haben Flüssigkeiten einen niedrigeren Brechungsindex als Feststoffe. Bei den dargestellten Stoffen ist dies der Fall. Wasser hat mit 1,33 den niedrigsten Brechungsindex. Der Brechungsindex des Augapfels ist nur wenig darüber, da dieser hauptsächlich aus Wasser besteht. Das Tetrachlormethan, $CCl_4$, hat mit 1,46 einen höheren Brechungsindex.

  Der Diamant ist bekannt für seine brillanten Reflexe, die er im geschliffenen Zustand zeigt. Dies liegt auch an seinem hohen Brechungsindex von 2,42. Der Brechungsindex von Bleiglanz (eine Modifikation von $PbS$) liegt mit 3,9 noch höher, dieser ist jedoch weniger lichtdurchlässig.

• Erläutere die Abhängigkeit der Lichtbrechung von Temperatur und Wellenlänge am Beispiel des Sonnenuntergangs.

  Tipps

  Ein größerer Temperaturgradient führt zu stärkerer Lichtbrechung.

  Lösung

  Auch wenn der Brechungsindex der Luft nahe bei eins liegt, kommt es auf Grund der Schichtdicke der Atmosphäre zu einer starken Brechung des Lichts. Diese ist dann besonders stark, wenn der Temperaturgradient hoch ist, also die Luftschichten, die das Licht durchdringt, stark unterschiedliche Temperaturen haben.

  Diesen Effekt kennst du vom Flimmern der Luft über dem Asphalt an heißen Sommertagen. Die aufgeheizte Luft bricht das Licht stärker und leichte Luftverwirbelungen sorgen für das Flimmern. Der gleiche Effekt lässt auch die Sterne funkeln, da auch hier unterschiedlich warme Luftschichten in der Atmosphäre verwirbeln.

  Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt nah am Horizont, da hier das Licht die bodennahen, aufgeheizten Luftschichten durchdringt. Hier ist die Lichtbrechung so stark, dass wir sogar Sterne am Himmel sehen können, die geometrisch gesehen bereits unter dem Horizont liegen. Das gilt sogar für die Sonne: Während wir den Sonnenuntergang beobachten, befindet sie sich bereits hinter dem Horizont. Dass die Lichtbrechung nah der Erde besonders hoch ist, kannst du auch beobachten: Die Sonne sieht beim Sonnenuntergang nicht mehr rund, sondern abgeflacht aus. Der untere Teil wirkt breiter.

  Ein anderer Effekt ist seltener zu beobachten: Am Ende des Sonnenuntergangs, wenn die Sonne gerade verschwindet, kann ein grünes Leuchten beobachtet werden. Dies sind die letzten Sonnenstrahlen. Da das grüne, kurzwellige Licht stärker gebrochen wird, kann man es als letztes beobachten. Blaues Licht, das eine noch kürzere Wellenlänge hat, wird von der Atmosphäre gestreut und kann deshalb nicht beobachtet werden.