4.13. Оптические свойства

На практике для быстрого определения состава нефтепродуктов, а также для контроля за качеством продуктов при их производстве часто используют такие оптические свойства, как коэффициент (показатель) преломления, молекулярная рефрак­ция и дисперсия. Эти показатели внесены во многие ГОСТы на нефтепродукты и приводятся в справочной литературе.

Показатель преломления — очень важная константа не только для индивидуальных веществ, но и для нефтепродуктов, являющихся сложной смесью различных соединений. Изве­стно, что показатель преломления углеводородов тем меньше, чем больше в них относительное содержание водорода. Показатель преломления циклических соединений больше, чем алифатических. Циклоалканы занимают промежуточное положение между аренами и алканами (гексан 1,3749, циклогексан 1,4262, бензол 1,5011). В гомологических рядах показатель преломления возрастает с удлинением цепи. Наиболее заметные изменения наблюдаются у первых членов гомологического ряда, затем изменения постепенно сглаживаются. Однако имеются исключения из этого правила. Для циклоалканов (циклопентана, циклогексана и циклогептана) и аренов (бензола и его гомологов) наблюдается сначала уменьшение, а затем увеличение показателя преломления с возрастанием длины или числа алкильных заместителей. Например, показатель преломления бензола 1,5011, толуола 1,4969, этилбензола 1,4958, ксилолов 1,4958— 1,5054.

В гомологических рядах углеводородов наблюдается линейная зависимость между плотностью и показателем преломления. Для фракций циклоалканов существует симбатность изменения температуры кипения (молекулярной массы) и показателя преломления; чем выше температура кипения, тем выше показатель преломления. Кроме показателя преломления весьма важными характери­стиками являются некоторые его производные, например, удельная рефракция:

R₁ = (n_D — 1)/р == const (формула Гладстона — Даля), (4.24)

R₂ = [(n²_D — 1) / (n²_D + 2)]·1/ р ⁼⁼ const (формула Лорентц — Лоренца), (4.25)

где р — плотность продукта, измеренная при той же температуре, что и показатель преломления.

Произведение удельной рефракции на молекулярную массу называется молекулярной рефракцией. Молекулярная рефракция обладает аддитивностью для индивидуальных веществ. Кроме того, молекулярная рефракция равна сумме атомных рефракций. На основании большого числа экспериментальных данных было установлено, что удлинение молекулы на одну метиленовую группу (СН₂) вызывает увеличение молекулярной рефракции на 4,6.

Показатель преломления исследуемого вещества зависит от длины волны падающего света. Наибольшее значение показатель преломления имеет для света с меньшей длиной волны и наоборот. Зависимость показателя преломления света от длины его волны для данного вещества характеризуется дисперсией (рассеянием) света.

Таблица 4.2

Длины волн некоторых линий атомных спектров

Источник света	Обозначение линии	Цвет линии	Длина волны, нм
Водородная трубка	С	Красный	656,3
Натриевая лампа	D	Желтый	589,3
Железная лампа	E	Зелёный	527,0
Водородная трубка	F	Голубой	486,1
	G	Фиолетовый	434,1

Дисперсия, характерная для данного вещества, определяется разностью показателей преломления для двух лучей определенных длин волн: n_λ1- n _λ2. Обычно для этого берут лучи, отвечающие по длине волны наиболее ярким линиям атомных спектров некоторых элементов (табл. 4.2). В лабораторной практике чаще всего используют источник света с желтой натриевой линией D, а также водородные линии F и G. Разность n_F — n_G называется средней дисперсией, а отношение

[(n_p-n_G)/(n_D-l)]· 10³ (4.26)

относительной дисперсией. Наконец, отношение

(n_p-n_G)/ρ·10⁴ (4.27)

называется удельной дисперсией. Удельные дисперсии аренов намного выше, чем насыщенных алканов и циклоалканов. Удельные дисперсии могут быть вычислены по правилу аддитивности. Это позволяет определять содержание аренов в бензине.

Ниже приведены значения удельной дисперсии УВ различных гомологических рядов:

Насыщенные углеводороды 99

Арены:

бензол 190,5

толуол 184,9

этилбензол, ксилолы 179,2

моноциклические до 200

полициклические высококипящие до 465

Для измерения показателя преломления в используют главным образом два типа рефрактометров.

Рефрактометр Аббе (РЛУ и ИРФ-22). Предназначен для быстрого определения показателя преломления в пределах on 1,3 до 1,7 для линии D с точностью ±2-10^-4. Для этих рефрактометров используют обычное дневное или электрическое осве­щение. Они снабжены компенсатором.

Рефрактометр Пульфриха (ИРФ-23). Предназначен для бо­лее точного определения показателя преломления в интервале 1,33·10^-4 —1,78·10^-4 и дисперсии с точностью до ±1,5· 10^-5. В этом приборе используют монохроматические источники осве­щения со специальным осветительным устройством ОУ-1,