REFRAKTOMETRIA: PRZESŁANKI, RODZAJE REFRAKTOMETRÓW, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Refraktometru jest metodą analizy optycznej do substancji, które mierzy się współczynnik załamania światła w substancji, w celu określenia jego podstawowe funkcje. Polega ona na tym, że światło, przechodząc z jednego medium do drugiego, podlega zmianie kierunku zależnej od charakteru tych mediów.

Prędkość światła w próżni wynosi c = 300 000 km / s, ale np. W wodzie spada do v = 225 000 km / s. Współczynnik załamania światła n jest precyzyjnie zdefiniowany jako stosunek c / v.

Rysunek 1. Refraktometr używany do pomiaru zawartości cukru w ​​owocach. Źródło: Wikimedia Commons.

Załóżmy, że światło o określonej długości fali pada pod określonym kątem na powierzchni, który ogranicza dwa różne materiały. Wtedy kierunek promienia ulegnie zmianie, ponieważ każdy ośrodek ma inny współczynnik załamania światła.

Jak obliczyć współczynnik załamania światła

Prawo Snella wiąże współczynnik załamania między dwoma ośrodkami 1 i 2 jako:

Tutaj n ₁ to współczynnik załamania światła w ośrodku 1, θ ₁ to kąt padania promienia na powierzchnię graniczną, n ₂ to współczynnik załamania w ośrodku 2, a θ ₂ to kąt załamania, w którym kierunku transmitowana wiązka jest kontynuowana.

Rysunek 2. Promień światła padający na dwa różne media. Źródło: Wikimedia Commons.

Współczynnik załamania światła materiałów jest stały i jest znany w określonych warunkach fizycznych. Dzięki temu można obliczyć współczynnik załamania światła innego ośrodka.

Na przykład, jeśli światło przechodzi przez szklany pryzmat o współczynniku n _1, a następnie przez substancję, której indeks chcemy poznać, dokładnie mierząc kąt padania i kąt załamania, otrzymujemy:

Rodzaje refraktometrów

Refraktometr to instrument, który mierzy współczynnik załamania światła cieczy lub ciała stałego o płaskich i gładkich powierzchniach. Istnieją dwa rodzaje refraktometrów:

-Optyczno-ręczny typ, taki jak refraktometr Abbego.

-Cyfrowe refraktometry.

- Optyczno-ręczny, taki jak refraktometr Abbego

Refraktometr Abbego został wynaleziony w XIX wieku przez Ernsta Abbego (1840-1905), niemieckiego fizyka, który znacząco przyczynił się do rozwoju optyki i termodynamiki. Ten typ refraktometru jest szeroko stosowany w przemyśle spożywczym i laboratoriach dydaktycznych i składa się w zasadzie z:

-Lampa jako źródło światła, zwykle oparów sodu, których długość fali jest znana. Istnieją modele wykorzystujące normalne białe światło, które zawiera wszystkie widzialne długości fal, ale mają one wbudowane pryzmaty zwane pryzmatami Amici, które eliminują niepożądane długości fal.

-Pryzmat do oświetlenia i kolejny pryzmat refrakcyjny, pomiędzy którymi umieszczona jest próbka, której współczynnik ma być zmierzony.

-Termometr, ponieważ współczynnik załamania światła zależy od temperatury.

-Mechanizmy regulacji obrazu.

-Okulary, przez które obserwator dokonuje pomiaru.

Rozmieszczenie tych podstawowych części może się różnić w zależności od konstrukcji (patrz rysunek 3 po lewej). Następnie zobaczymy zasady działania.

Ryc. 3. Po lewej refraktometr Abbego, a po prawej podstawowy schemat działania. Źródło: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Jak działa refraktometr Abbe

Procedura wygląda następująco: próbkę umieszcza się między pryzmatem refrakcyjnym - który jest zamocowany - a pryzmatem oświetlającym - grubym.

Pryzmat refrakcyjny jest mocno wypolerowany i ma wysoki współczynnik załamania światła, natomiast pryzmat oświetlający jest matowy i szorstki na powierzchni styku. W ten sposób, gdy lampa jest włączona, na próbkę emitowane jest światło we wszystkich kierunkach.

Ray AB na rysunku 3 jest tym z największym możliwym odchyleniem, więc po prawej stronie punktu C obserwator zobaczy zacienione pole, podczas gdy sektor po lewej stronie będzie oświetlony. Mechanizm regulacji zaczyna działać teraz, ponieważ chcesz, aby oba pola miały ten sam rozmiar.

W tym celu na okularze znajduje się znak pomocy, który różni się w zależności od projektu, ale może to być krzyżyk lub inny rodzaj sygnału, który służy do wyśrodkowania pól.

Uzyskując te dwa pola tej samej wielkości, można zmierzyć kąt krytyczny lub kąt graniczny, czyli kąt, pod jakim przepuszczany promień przeszedłby, przeciskając się na powierzchni oddzielającej media (patrz rysunek 4).

Znajomość tego kąta pozwala bezpośrednio obliczyć współczynnik załamania światła próbki na podstawie pryzmatu. Przyjrzyjmy się temu bardziej szczegółowo poniżej.

Krytyczny kąt

Na poniższym rysunku widzimy, że kąt krytyczny θ _c to ten, pod którym promień przemieszcza się tuż nad powierzchnią graniczną.

Jeśli kąt zostanie dalej zwiększony, wówczas wiązka nie osiągnie środkowej 2, ale zostanie odbita i będzie kontynuowana w środku 1. Prawo Snella zastosowane w tym przypadku będzie następujące: sin θ ₂ = sin 90º = 1, co prowadzi bezpośrednio do współczynnika załamania światła w ośrodku 2:

Rysunek 4. Krytyczny kąt. Źródło: F. Zapata.

Otóż ​​kąt krytyczny uzyskuje się dokładnie przez zrównanie wielkości pól światła i cienia, które są widziane przez okular, przez które obserwuje się również stopniowaną skalę.

Skala jest zwykle skalibrowana do bezpośredniego odczytu współczynnika załamania światła, więc w zależności od modelu refraktometru operator zobaczy coś podobnego do tego, co widać na poniższym obrazku:

Rysunek 5. Skala refraktometru jest kalibrowana w celu bezpośredniego podania współczynnika załamania światła. Źródło: refraktometria. Oregon State University.

Górna skala za pomocą pionowej kreski wskazuje pomiar główny: 1,460, natomiast dolna skala 0,00068. Podczas dodawania współczynnik załamania światła wynosi 1,46068.

Znaczenie długości fali

Światło padające na pryzmat oświetlający zmieni kierunek. Ale ponieważ jest to fala elektromagnetyczna, zmiana będzie zależała od λ, długości fali padającej.

Ponieważ światło białe zawiera wszystkie długości fal, każda z nich jest załamywana w innym stopniu. Aby uniknąć tego mieszania, które skutkuje rozmytym obrazem, światło używane w refraktometrze o wysokiej rozdzielczości musi mieć unikalną i znaną długość fali. Najczęściej stosowana jest tak zwana linia sodowa D, której długość fali wynosi 589,6 nm.

W przypadkach, gdy nie jest wymagana zbyt duża precyzja, wystarczające jest światło naturalne, nawet jeśli zawiera ono mieszaninę różnych długości fal. Aby jednak uniknąć rozmycia krawędzi między jasnymi i ciemnymi obszarami obrazu, niektóre modele dodają pryzmaty kompensujące Amici.

Zalety i wady

Refraktometria to szybka, niedroga i niezawodna technika pozwalająca poznać czystość substancji, dlatego jest szeroko stosowana w chemii, bioanalizie i technologii żywności.

Ale ponieważ istnieją różne substancje o tym samym współczynniku załamania, trzeba wiedzieć, która z nich jest analizowana. Na przykład cykloheksan i niektóre roztwory cukru mają ten sam współczynnik załamania światła w temperaturze 20 ° C.

Z drugiej strony, współczynnik załamania światła jest silnie zależny od temperatury, jak wspomniano powyżej, oprócz ciśnienia i stężenia roztworu refrakcyjnego. Wszystkie te parametry muszą być uważnie monitorowane, gdy wymagane są pomiary o wysokiej precyzji.

Jeśli chodzi o rodzaj używanego refraktometru, zależy to w dużej mierze od zastosowania, do którego jest przeznaczony. Oto kilka cech głównych typów:

Ręczny refraktometr Abbego

-Jest to niezawodny i tani w utrzymaniu instrument.

- Zwykle są tanie.

-Bardzo właściwe, aby zapoznać się z podstawowymi zasadami refraktometrii.

- Należy uważać, aby nie zarysować powierzchni pryzmatu stykającej się z próbką.

-Musi być czyszczony po każdym użyciu, ale nie można tego zrobić papierem lub szorstkimi materiałami.

- Operator refraktometru musi przejść szkolenie.

-Każdy pomiar należy zarejestrować ręcznie.

-Zwykle dostarczane są z wagami skalibrowanymi specjalnie dla określonego zakresu substancji.

-Wymagają kalibracji.

-System kontroli temperatury kąpieli wodnej może być uciążliwy w użyciu.

Cyfrowe refraktometry

-Są łatwe do odczytania, ponieważ pomiar pojawia się bezpośrednio na ekranie.

-Używają czujników optycznych do bardzo dokładnych odczytów.

-Mają możliwość przechowywania i eksportu pozyskanych danych oraz wglądu do nich w dowolnym momencie.

-Są niezwykle dokładne, nawet w przypadku substancji, których współczynnik załamania światła jest trudny do zmierzenia.

-Możliwe jest zaprogramowanie różnych skal.

-Nie wymaga regulacji temperatury wodą.

-Niektóre modele obejmują na przykład pomiary gęstości lub można je podłączyć do gęstościomierzy, mierników pH i innych, aby zaoszczędzić czas i uzyskać jednoczesne pomiary.

- Nie ma potrzeby ich ponownej kalibracji, ale od czasu do czasu sprawdzaj, czy działają prawidłowo, mierząc współczynnik załamania światła dobrze znanych substancji, takich jak na przykład woda destylowana.

- Są droższe niż ręczne refraktometry.

Aplikacje

Znajomość współczynnika załamania światła próbki wskazuje na jej stopień czystości, dlatego technika ta jest szeroko stosowana w przemyśle spożywczym:

-W kontroli jakości olejów w celu określenia ich czystości. Na przykład dzięki refraktometrii można sprawdzić, czy olej słonecznikowy został obniżony poprzez dodanie innych olejów niższej jakości.

Rysunek 6. Laboratorium technologii żywności. Źródło: Piqsels.

-Służy w przemyśle spożywczym do sprawdzania zawartości cukru w ​​słodkich napojach, dżemach, mleku i jego pochodnych oraz różnych sosach.

-Są one również niezbędne w kontroli jakości win i piw, w celu określenia zawartości cukru i alkoholu.

-W przemyśle chemicznym i farmaceutycznym do kontroli jakości syropów, perfum, detergentów i wszelkiego rodzaju emulsji.

- Mogą mierzyć stężenie mocznika - produktu odpadowego z metabolizmu białek - we krwi.

Bibliografia

1. Techniki laboratorium chemicznego. Refraktometria. Odzyskany z: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refractometry. Odzyskany z: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Porównanie różnych technik pomiaru gęstości i refraktometrii. Odzyskany z: mt.com.
4. Net InterLab. Co to jest refraktometr i do czego służy? Odzyskany z: net-interlab.es.
5. Oregon State University. Zasady refraktometrii. Odzyskany z: sites.science.oregonstate.edu.