REFRACTOMETRIE: RAȚIONAMENT, TIPURI DE REFRACTOMETRE, APLICAȚII - CHIMIE - 2025

Refractometrului este o metodă de analiză optică a substanțelor care măsoară indicele de refracție al unei substanțe pentru a determina principalele sale caracteristici. Se bazează pe faptul că lumina, când trece de la un mediu la altul, suferă o schimbare de direcție care depinde de natura acestor medii.

Viteza luminii în vid este c = 300.000 km / s, dar în apă, de exemplu, scade până la v = 225.000 km / s. Indicele de refracție n este definit drept raportul c / v.

Figura 1. Refractometru utilizat pentru a măsura conținutul de zahăr din fructe. Sursa: Wikimedia Commons.

Să presupunem că lumina unei anumite lungimi de undă cade într-un unghi predeterminat pe suprafața care limitează două materiale diferite. Atunci direcția razei se va schimba, deoarece fiecare mediu are un indice de refracție diferit.

Cum se calculează indicele de refracție

Legea lui Snell raportează indicele de refracție între două medii 1 și 2 ca:

Aici n ₁ este indicele de refracție în mediul 1, θ ₁ este unghiul de incidență al razei pe suprafața de delimitare, n ₂ este indicele de refracție în mediul 2 și θ ₂ este unghiul de refracție, în ce direcție fasciculul transmis continuă.

Figura 2. Raza de lumină care atacă două suporturi diferite. Sursa: Wikimedia Commons.

Indicele de refracție al materialelor este constant și este cunoscut în anumite condiții fizice. Prin aceasta se poate calcula indicele de refracție al altui mediu.

De exemplu, dacă lumina trece printr-o prismă de sticlă al cărei indice este n ₁ și apoi prin substanța al cărui indice dorim să-l cunoaștem, măsurând cu atenție unghiul de incidență și unghiul de refracție, obținem:

Tipuri de refractometre

Refractometrul este un instrument care măsoară indicele de refracție al unui lichid sau unui solid cu fețe plane și netede. Există două tipuri de refractometre:

-Optical-manual de tipul refractometrului Abbe.

-Refractometre digitale.

- Tip optic-manual, cum ar fi refractometrul Abbe

Refractometrul Abbe a fost inventat în secolul al XIX-lea de Ernst Abbe (1840-1905), un fizician german care a contribuit semnificativ la dezvoltarea Opticii și Termodinamicii. Acest tip de refractometru este utilizat pe scară largă în industria alimentară și laboratoarele didactice și constă în principal din:

-O lampă ca sursă de lumină, în general vapori de sodiu, a căror lungime de undă este cunoscută. Există modele care utilizează lumina albă normală, care conține toate lungimile de undă vizibile, dar au prisme încorporate numite prisme Amici, care elimină lungimile de undă nedorite.

-O prismă de iluminare și o altă prismă de refracție, între care este plasat eșantionul al cărui indice trebuie măsurat.

-Termometru, deoarece indicele de refracție depinde de temperatură.

-Mecanisme de ajustare a imaginii.

-Ocul ocular, prin care observatorul efectuează măsurarea.

Dispunerea acestor piese de bază poate varia în funcție de design (a se vedea figura 3 din stânga). În continuare vom vedea principiile de funcționare.

Figura 3. În stânga un refractometru Abbe și în dreapta o diagramă de operare de bază. Sursa: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Cum funcționează Refractometrul Abbe

Procedura este următoarea: eșantionul este plasat între prisma de refracție - care este fixată - și prisma de iluminare - funcțională -.

Prisma de refracție este foarte lustruită și indicele de refracție este ridicat, în timp ce prisma de iluminare este mată și aspră pe suprafața de contact. În acest fel, atunci când lampa este aprinsă, lumina este emisă în toate direcțiile de pe eșantion.

Ray AB din figura 3 este cel cu cea mai mare abatere posibilă, astfel încât în ​​dreapta punctului C un observator va vedea un câmp umbrit, în timp ce sectorul din stânga va fi iluminat. Mecanismul de ajustare intră în acțiune acum, deoarece ceea ce doriți este să faceți ca cele două câmpuri să aibă aceeași dimensiune.

Pentru aceasta există o notă de ajutor pe ocular, care variază în funcție de proiectare, dar poate fi o cruce sau un alt tip de semnal, care servește pentru a centra câmpurile.

Făcând cele două câmpuri aceeași dimensiune, se poate măsura unghiul critic sau unghiul limită, care este unghiul la care raza transmisă ar trece pășind suprafața care separă media (vezi figura 4).

Cunoașterea acestui unghi permite calcularea directă a indicelui de refracție al eșantionului, luându-l pe cel al prismei. Să analizăm mai detaliat acest lucru mai jos.

Unghiul critic

În figura următoare vedem că unghiul critic θ _c este cel la care raza călătorește chiar peste suprafața de delimitare.

Dacă unghiul este crescut în continuare, fasciculul nu ajunge la mijlocul 2, ci este reflectat și continuă la mijloc 1. Legea Snellului aplicată în acest caz ar fi: sin θ ₂ = sin 90º = 1, care conduce direct la indicele de refracție în mediul 2:

Figura 4. Unghiul critic. Sursa: F. Zapata.

Ei bine, unghiul critic este obținut tocmai prin echivalarea dimensiunii câmpurilor de lumină și umbră care se văd prin ocular, prin care se observă și o scară gradată.

Scara este de obicei calibrată pentru citirea directă a indicelui de refracție, deci în funcție de modelul refractometrului, operatorul va vedea ceva similar cu ceea ce se observă în imaginea următoare:

Figura 5. Scara unui refractometru este calibrată pentru a da direct indicele de refracție. Sursa: Refractometrie. Universitatea de Stat din Oregon.

Scara superioară, cu ajutorul liniei verticale, indică măsurarea principală: 1.460, în timp ce scala inferioară arată 0,00068. La adăugare, indicele de refracție este 1.46068.

Importanța lungimii de undă

Lumina care cade pe prisma iluminării își va schimba direcția. Dar, deoarece este o undă electromagnetică, schimbarea va depinde de λ, lungimea undei incidente.

Deoarece lumina albă conține toate lungimile de undă, fiecare este refractată într-un grad diferit. Pentru a evita acest amestec care are ca rezultat o imagine confuză, lumina folosită într-un refractometru de înaltă rezoluție trebuie să aibă o lungime de undă unică și cunoscută. Cea mai folosită este așa-numita linie de sodiu D, a cărei lungime de undă este 589,6 nm.

În cazurile în care nu este necesară prea multă precizie, lumina naturală este suficientă, chiar dacă conține un amestec de lungimi de undă. Cu toate acestea, pentru a evita estomparea marginii între lumină și întuneric din imagine, unele modele adaugă prisme compensatorii ale lui Amici.

Avantaje și dezavantaje

Refractometria este o tehnică rapidă, ieftină și fiabilă pentru a cunoaște puritatea unei substanțe, motiv pentru care este utilizată pe scară largă în chimie, bioanaliză și tehnologia alimentară.

Dar, deoarece există diferite substanțe cu același indice de refracție, este necesar să știm care dintre ele este analizată. De exemplu, ciclohexanul și unele soluții zaharoase sunt cunoscute ca având același indice de refracție la o temperatură de 20 ° C.

Pe de altă parte, indicele de refracție depinde foarte mult de temperatură, după cum am menționat mai sus, pe lângă presiunea și concentrația soluției de refracție. Toți acești parametri trebuie monitorizați cu atenție atunci când sunt necesare măsurători de înaltă precizie.

În ceea ce privește tipul de refractometru de utilizat, depinde foarte mult de aplicația pentru care este destinat. Iată câteva caracteristici ale principalelor tipuri:

Refractometru manual Abbe

-Este un instrument fiabil și de întreținere scăzut.

-De obicei sunt ieftine.

-Este foarte potrivit să vă familiarizați cu principiile fundamentale ale refractometriei.

- Aveți grijă să nu zgâriați suprafața prismei în contact cu proba.

-Se trebuie curățat după fiecare utilizare, dar nu se poate face cu hârtie sau materiale brute.

-Operatorul de refractometru trebuie să aibă pregătire.

-Toate măsurătorile trebuie înregistrate manual.

-De obicei vin cu cântare calibrate special pentru o anumită gamă de substanțe.

-Trebuie calibrate.

-Sistemul de control al temperaturii băii de apă poate fi greoi de utilizat.

Refractometre digitale

-Sunt ușor de citit, deoarece măsurarea apare direct pe un ecran.

-Se utilizează senzori optici pentru citiri de mare precizie

-Au capacitatea de a stoca și exporta datele obținute și de a le putea consulta în orice moment.

-Sunt extrem de precise, chiar și pentru substanțele al căror indice de refracție este greu de măsurat.

-Este posibil să programați diferite scale.

-Nu necesită ajustarea temperaturii cu apă.

-Unele modele includ măsurători de densitate, de exemplu, sau pot fi conectate la contoarele de densitate, pH-metri și altele, pentru a economisi timp și obține măsurători simultane.

-Nu este necesar să le recalibrați, dar verificați din când în când funcționează corect măsurând indicele de refracție al substanțelor cunoscute, cum ar fi apa distilată, de exemplu.

-Sunt mai scumpe decât refractometrele manuale.

Aplicații

Cunoașterea indicelui de refracție al unui eșantion indică gradul său de puritate, motiv pentru care tehnica este utilizată pe scară largă în industria alimentară:

-În controlul calității uleiurilor, pentru a determina puritatea acestora. De exemplu, prin refractometrie este posibil să știm dacă a scăzut un ulei de floarea soarelui adăugând alte uleiuri de calitate inferioară.

Figura 6. Laboratorul de tehnologie alimentară. Sursa: Piqsels.

-Este utilizat în industria alimentară pentru a cunoaște conținutul de zahăr în băuturile zaharoase, gemurile, laptele și derivatele sale și diverse sosuri.

-Sunt necesare și în controlul calității vinurilor și berilor, pentru a determina conținutul de zahăr și alcool.

-În industria chimică și farmaceutică pentru controlul calității siropurilor, parfumurilor, detergenților și a tot felului de emulsii.

-Poate măsura concentrația de uree - o deșeuri din metabolismul proteinelor - în sânge.

Referințe

1. Tehnici de laborator chimie. Refractometrie. Recuperat din: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refractometrie. Recuperat de la: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Compararea diferitelor tehnici de măsurare a densității și refractometriei. Recuperat de la: mt.com.
4. InterLab Net. Pentru ce este un refractometru și pentru ce este utilizat? Recuperat din: net-interlab.es.
5. Universitatea de Stat din Oregon. Principiile refractometriei. Recuperat de la: sites.science.oregonstate.edu.