ХИМИЯ НЕФТИ

Коэффициент преломления (рефракции)

Лучепреломление или рефракция - явление изменения направления и скорости световых лучей при переходе из одной среды в другую.

Если луч попадает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то он приближается к перпендикуляру, восстановленному в точке перехода. Если же, наоборот, луч попадает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то он удаляется от этого перпендикуляра. С изменением угла падения меняется угол преломления, но отношение величин этих углов для одной и той же среды остается постоянным:

Это отношение называется коэффициентом, или показателем преломления (n_D²⁰).

Для нефтепродуктов показатель преломления определяют при прохождении светового луча из воздуха в нефтепродукт, поэтому он всегда выше единицы.

Между коэффициентом преломления и плотностью для различных гомологов одного и того же ряда существует линейная зависимость. Показатель преломления (так же, как и плотность) углеводородных молекул тем меньше, чем больше в них относительное содержание водорода. При одинаковом содержании углеродных и водородных атомов в молекуле показатель преломления и плотность циклических углеводородов будут выше, чем алифатических. Например, n_D²⁰ бензола больше, чем n_D²⁰ гексена, а n_D²⁰ последнего больше, чем гексана.

В общем случае наибольшими плотностью и коэффициентом преломления обладают ароматические углеводороды, а наименьшим - метановые. Нафтены занимают промежуточное положение.

Закономерности, характерные для индивидуальных углеводородов, наблюдаются также и для нефтяных фракций, т. е. чем выше температура кипения фракции, тем выше ее плотность и коэффициент преломления.

Для разных углеводородов наблюдается разная степень зависимости n_D²⁰ от молекулярной массы. В большей степени изменение n_D²⁰ от молекулярной массы проявляется для парафиновых углеводородов.

По показателю преломления приближенно можно судить о групповом углеводородном составе нефтепродуктов, а в сочетании с плотностью и молекулярной массой рассчитать структурно-групповой состав нефтяных фракций.

Показатель преломления с повышением температуры уменьшается, причем для масел, парафина и церезина это снижение составляет 0,0004 на каждый градус разности температур.

Пересчет показателя преломления с одной температуры на другую осуществляется по формуле:

Показатель преломления смеси углеводородов n_см является аддитивной функцией ее состава, выраженного в объемных процентах:

Аддитивность свойств широко используется при анализе нефтепродуктов. Примером может служить метод определения относительного содержания ароматических углеводородов в узких фракциях бензина. Для этого находят показатели преломления узкой нефтяной фракции n₁ и после удаления из нее ароматических углеводородов - n₂. По известному приращению коэффициента преломления нефтяной фракции b от прибавления к ней 1% ароматических углеводородов вычисляют содержание ароматических углеводородов А по формуле:

Наибольшая величина показателя преломления характерна для лучей с наименьшей длиной волны, а наименьшая - для лучей с наибольшей длиной волны. На этом различии в преломлении лучей, имеющих неодинаковую длину волны, основано явление дисперсии (рассеяния) света. Дисперсия, характерная для данного вещества, определяется разностью показателей преломления двух лучей с определенной длиной волны n_λ1 - n_λ2.

Отношение дисперсии нефтепродукта к его плотности представляет собой удельную дисперсию:

Удельная дисперсия нефтепродуктов отражает зависимость между их химическим составом и показателями преломления. Установлено, что удельная дисперсия насыщенных углеводородов (парафиновых и нафтеновых) колеблется в пределах 149-158, ароматических - в пределах 300-500. Этим различием широко пользуются в химии нефти для определения группового состава нефтяных фракций.