REFRAKTOMETRI: RATIONELL, TYPER AV REFRAKTOMETRAR, APPLIKATIONER - KEMI - 2026

Den refraktometer är ett förfarande för optisk analys av ämnen som mäter brytningsindex för en substans för att bestämma dess viktigaste funktioner. Det är baserat på det faktum att ljus, vid övergång från ett medium till ett annat, genomgår en riktningsförändring som beror på typen av media.

Ljushastigheten i vakuum är c ​​= 300 000 km / s, men till exempel i vatten minskar den till v = 225 000 km / s. Brytningsindex n definieras exakt som c / v-förhållandet.

Figur 1. Refraktometer som används för att mäta sockerhalten i frukt. Källa: Wikimedia Commons.

Anta att ljus med en viss våglängd faller i en förutbestämd vinkel på ytan som begränsar två olika material. Då kommer strålens riktning att förändras, eftersom varje medium har ett annat brytningsindex.

Hur man beräknar brytningsindex

Snells lag avser brytningsindex mellan två media 1 och 2 som:

Här är n ₁ brytningsindex i medium 1, θ ₁ är strålens infallsvinkel på gränsytan, n ₂ är brytningsindex i medium 2 och θ ₂ är brytningsvinkeln, i vilken riktning den överförda strålen fortsätter.

Bild 2. Ljusstråle som slår två olika media. Källa: Wikimedia Commons.

Materialets brytningsindex är konstant och är känt under vissa fysiska förhållanden. Med detta kan brytningsindex för ett annat medium beräknas.

Om ljus till exempel passerar genom ett glasprisma vars index är n ₁ och sedan genom ämnet vars index vi vill veta, mäter vi noggrant vinkeln på insidensen och brytningsvinkeln:

Typer av refraktometrar

Refraktometern är ett instrument som mäter brytningsindexet för en vätska eller ett fast ämne med plana och släta ytor. Det finns två typer av refraktometrar:

-Optisk-manuell typ som Abbe refraktometer.

-Ditala refraktometrar.

- Optisk-manuell typ som Abbes refraktometer

Abbe refraktometer uppfanns på 1800-talet av Ernst Abbe (1840-1905), en tysk fysiker som bidragit väsentligt till utvecklingen av optik och termodynamik. Denna typ av refraktometer används i stor utsträckning i livsmedelsindustrin och undervisningslaboratorierna och består i princip av:

-En lampa som ljuskälla, vanligtvis natriumånga, vars våglängd är känd. Det finns modeller som använder normalt vitt ljus, som innehåller alla synliga våglängder, men de har inbyggda prismor som kallas Amici-prismor, vilket eliminerar oönskade våglängder.

-Ett belysningsprisma och ett annat brytningsprisma mellan vilket provet vars index ska mätas placeras.

-Thermometer, eftersom brytningsindexet beror på temperaturen.

-Justeringsmekanismer för bilden.

- Okularet, genom vilket observatören utför mätningen.

Arrangemanget av dessa grunddelar kan variera beroende på designen (se bild 3 till vänster). Nästa kommer vi att se principerna för drift.

Bild 3. Till vänster en Abbe refraktometer och till höger ett grundläggande driftsdiagram. Källa: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Så fungerar Abbe Refractometer

Proceduren är som följer: provet placeras mellan brytningsprismat - vilket är fixerat - och belysningsprismat - instabilt -.

Brytningsprismat är mycket polerat och dess brytningsindex är högt, medan belysningsprismat är matt och grovt på kontaktytan. På detta sätt, när lampan slås på, avges ljus i alla riktningar på provet.

Ray AB i figur 3 är den med största möjliga avvikelse, så till höger om punkt C kommer en observatör se ett skuggat fält, medan sektorn till vänster tänds. Justeringsmekanismen träder i kraft nu, eftersom det du vill är att göra de två fälten har samma storlek.

För detta finns det ett hjälpmärke på okularet, som varierar beroende på designen, men det kan vara ett kors eller en annan typ av signal, som tjänar till att centrera fälten.

Genom att göra de två fälten lika stora, kan den kritiska vinkeln eller gränsvinkeln mätas, vilket är den vinkel vid vilken den överförda strålen skulle passera betande ytan som separerar mediet (se figur 4).

Genom att känna till denna vinkel kan man beräkna provets brytningsindex direkt och ta priset. Låt oss titta på detta mer detaljerat nedan.

Den kritiska vinkeln

I följande figur ser vi att den kritiska vinkeln θ _c är den vid vilken strålen rör sig precis över gränsytan.

Om vinkeln ökas ytterligare når strålen inte mitten 2 utan reflekteras och fortsätter i mitten 1. Snells lag som tillämpas i detta fall skulle vara: sin θ ₂ = sin 90º = 1, som leder direkt till brytningsindex i medium 2:

Figur 4. Kritisk vinkel. Källa: F. Zapata.

Tja, den kritiska vinkeln erhålls exakt genom att jämföra storleken på fälten för ljus och skugga som syns genom okularet, genom vilket en graderad skala också observeras.

Skalan är vanligtvis kalibrerad för direkt avläsning av brytningsindex, så beroende på refraktometermodellen kommer operatören att se något liknande det som observeras i följande bild:

Figur 5. En refraktometers skala är kalibrerad för att ge brytningsindex direkt. Källa: Refraktometri. Oregon State University.

Den övre skalan, med hjälp av den vertikala linjen, indikerar huvudmätningen: 1.460, medan den nedre skalan visar 0.00068. När du lägger till är brytningsindex 1.46068.

Betydelsen av våglängd

Ljuset som faller på belysningsprismat kommer att ändra dess riktning. Men eftersom det är en elektromagnetisk våg kommer förändringen att bero på λ, längden på infallsvågen.

Eftersom vitt ljus innehåller alla våglängder bryts var och en i en annan grad. För att undvika denna blandning som resulterar i en suddig bild måste ljuset som används i en högupplösta refraktometer ha en unik och känd våglängd. Den mest använda är den så kallade natrium D-linjen, vars våglängd är 589,6 nm.

I fall där för mycket precision inte krävs är naturligt ljus tillräckligt, även om det innehåller en blandning av våglängder. För att undvika att sudda kanten mellan ljus och mörk i bilden lägger dock vissa modeller till Amicis kompensationsprismor.

Fördelar och nackdelar

Refraktometri är en snabb, billig och pålitlig teknik för att känna till ämnets renhet, varför det används allmänt inom kemi, bioanalys och livsmedelsteknik.

Men eftersom det finns olika ämnen med samma brytningsindex är det nödvändigt att veta vilken som analyseras. Exempelvis är cyklohexan och vissa sockerhaltiga lösningar kända för att ha samma brytningsindex vid en temperatur av 20 ° C.

Å andra sidan är brytningsindexet mycket beroende av temperaturen, såsom nämnts ovan, utöver trycket och koncentrationen av brytningslösningen. Alla dessa parametrar måste noggrant övervakas när mätningar med hög precision krävs.

När det gäller vilken typ av refraktometer som ska användas beror det mycket på applikationen som den är avsedd för. Här är några egenskaper hos huvudtyperna:

Manuell Abbe Refractometer

-Det är ett pålitligt och lågt underhållsinstrument.

-De är vanligtvis billiga.

-Mycket lämpligt för att bli bekant med de grundläggande principerna för refraktometri.

- Se till att inte repa ytan på prismen i kontakt med provet.

-Must rengöras efter varje användning, men kan inte göras med papper eller grova material.

-Fraktorns refraktometer måste ha utbildning.

-Varje mätning måste registreras för hand.

-De kommer vanligtvis med skalor kalibrerade specifikt för ett visst ämneområde.

-De måste kalibreras.

-Vattentemperaturregleringssystemet kan vara besvärligt att använda.

Digitala refraktometrar

-De är lätta att läsa, eftersom mätningen visas direkt på en skärm.

-De använder optiska sensorer för avläsning med hög precision.

-De har förmågan att lagra och exportera de erhållna uppgifterna och kunna konsultera dem när som helst.

-De är extremt exakta, även för ämnen vars brytningsindex är svårt att mäta.

-Det är möjligt att programmera olika skalor.

- Kräver inte temperaturjustering med vatten.

-Vissa modeller har till exempel täthetsmätningar eller kan anslutas till täthetsmätare, pH-mätare och andra för att spara tid och få samtidiga mätningar.

-Det är inte nödvändigt att kalibrera dem igen, men kontrollera då och då att de fungerar korrekt genom att mäta brytningsindex för kända ämnen, till exempel destillerat vatten.

-De är dyrare än manuella refraktometrar.

tillämpningar

Att känna till ett provets brytningsindex indikerar dess renhetsgrad, varför tekniken används allmänt inom livsmedelsindustrin:

-I kvalitetskontrollen av oljorna för att bestämma deras renhet. Till exempel, genom refraktometri är det möjligt att veta om en solrosolja sänktes genom att tillsätta andra oljor av lägre kvalitet.

Bild 6. Laboratoriet för livsmedelsteknik. Källa: Piqsels.

-Det används i livsmedelsindustrin för att känna till sockerinnehållet i sockerhaltiga drycker, sylt, mjölk och dess derivat och olika såser.

-De är också nödvändiga för kvalitetskontroll av vin och öl för att bestämma sockerhalten och alkoholhalten.

-I den kemiska och farmaceutiska industrin för kvalitetskontroll av sirap, parfymer, tvättmedel och alla slags emulsioner.

-De kan mäta koncentrationen av urea - ett avfall från proteinmetabolism - i blodet.

referenser

1. Kemi Lab-tekniker. Refraktometri. Återställd från: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refraktometry. Återställd från: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Jämförelse av olika tekniker för att mäta densitet och refraktometri. Återställd från: mt.com.
4. Net InterLab. Vad är en refraktometer och vad är den för? Återställd från: net-interlab.es.
5. Oregon State University. Principer för refraktometri. Återställs från: sites.science.oregonstate.edu.