REFRAKTOMETRIJA: OBRAZLOŽENJE, VRSTE REFRAKTOMETRA, PRIMJENA - KEMIJA - 2024

Refraktometar je metoda optičke analize tvari koja mjeri indeks loma tvari kako bi se utvrdilo njegove glavne značajke. Temelji se na činjenici da svjetlost, prelazeći iz jednog medija u drugi, podliježe promjeni smjera koji ovisi o prirodi tih medija.

Brzina svjetlosti u vakuumu je c = 300.000 km / s, no, na primjer, u vodi se smanjuje na v = 225.000 km / s. Indeks loma n precizno je definiran kao omjer c / v.

Slika 1. Refraktometar koji se koristi za mjerenje sadržaja šećera u voću. Izvor: Wikimedia Commons.

Pretpostavimo da svjetlost određene valne duljine pada pod unaprijed određenim kutom na površini koji ograničava dva različita materijala. Tada će se smjer zraka promijeniti, jer svaki medij ima različit indeks loma.

Kako izračunati indeks loma

Snellov zakon odnosi indeks loma između dva medija 1 i 2 kao:

Ovdje je n ₁ indeks loma u mediju 1, θ ₁ je kut upada zraka na graničnu površinu, n ₂ je indeks loma u mediju 2, a θ ₂ je kut loma, u kojem smjeru nastavlja se prenesena zraka.

Slika 2. Zraka svjetlosti koja pogodi dva različita medija. Izvor: Wikimedia Commons.

Indeks loma materijala je konstantan i poznat je u određenim fizičkim uvjetima. S tim se može izračunati indeks loma drugog medija.

Na primjer, ako svjetlost prolazi kroz staklenu prizmu čiji je indeks n _1, a zatim kroz tvar čiji indeks želimo znati, pažljivo mjereći upadni kut i kut loma, dobivamo:

Vrste refraktometra

Refraktometar je instrument koji mjeri indeks loma tekućine ili krute tvari s ravnim i glatkim licima. Postoje dvije vrste refraktometra:

-Optičko-ručni tip poput Abbe refraktometra.

-Digitalni refraktometri.

- optičko-ručni tip poput Abbeovog refraktometra

Abbe-refraktometar izumio je u 19. stoljeću Ernst Abbe (1840-1905), njemački fizičar, koji je značajno pridonio razvoju optike i termodinamike. Ova vrsta refraktometra naširoko se koristi u prehrambenoj industriji i nastavnim laboratorijima i u osnovi se sastoji od:

-Lampica kao izvor svjetlosti, uglavnom natrijeve pare, čija je talasna dužina poznata. Postoje modeli koji koriste normalno bijelo svjetlo, koje sadrži sve vidljive valne duljine, ali imaju ugrađene prizme nazvane Amici prizme, koje uklanjaju neželjene valne duljine.

-Osvjetljujuća prizma i još jedna refrakcijska prizma, između kojih se stavlja uzorak čiji indeks treba mjeriti.

-Termometar, jer indeks loma ovisi o temperaturi.

- Mehanizmi prilagođavanja slike.

-Okser, kroz koji promatrač vrši mjerenje.

Raspored ovih osnovnih dijelova može se razlikovati ovisno o dizajnu (vidi sliku 3 lijevo). Dalje ćemo vidjeti principe rada.

Slika 3. S lijeve strane Abbeov refraktometar, a s desne strane osnovni operativni dijagram. Izvor: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Kako djeluje Abbe refraktometar

Procedura je sljedeća: uzorak se postavlja između refrakcijske prizme - koja je fiksirana - i svjetlosti - prizme.

Refrakciona prizma je visoko polirana, a njen indeks loma je visok, dok je osvjetljujuća prizma mat i hrapava na dodirnoj površini. Na ovaj način, kada se žarulja uključi, svjetlost se emitira u svim smjerovima na uzorku.

Ray AB na slici 3 je onaj s najvećim mogućim odstupanjem, pa će desno od točke C promatrač vidjeti zasjenjeno polje, dok će sektor s lijeve strane biti osvijetljen. Mehanizam prilagođavanja stupa na snagu sada, jer ono što želite je da dva polja imaju jednaku veličinu.

Zbog toga na okularu postoji oznaka pomoći, koja se razlikuje ovisno o dizajnu, ali može biti križ ili drugi tip signala koji služi za centriranje polja.

Čineći dva polja jednake veličine, može se mjeriti kritični kut ili granični kut, koji je kut pod kojim bi proslijeđena zraka prošla pašeći površinu koja odvaja medij (vidi sliku 4).

Poznavanje tog kuta omogućava izravno izračunavanje indeksa loma uzoraka, uzimanje onog iz prizme. Pogledajmo ovo detaljnije u nastavku.

Kritični kut

Na sljedećoj slici vidimo da je kritični kut θ _c onaj kod kojeg zraka putuje tek preko granične površine.

Ako se kut dodatno poveća, greda ne doseže sredinu 2, već se reflektira i nastavlja u sredini 1. Snell-ov zakon primijenjen u ovom slučaju bio bi: sin θ ₂ = sin 90º = 1, koji vodi izravno na indeks loma u mediju 2:

Slika 4. Kritični kut. Izvor: F. Zapata.

Pa, kritični kut dobiva se precizno izjednačavanjem veličine polja svjetlosti i sjene koja se vide kroz okular, kroz koja se također opaža stupnjevana skala.

Skala se obično kalibrira za izravno očitavanje indeksa loma, pa će ovisno o modelu refraktometra, operater vidjeti nešto slično onome što je promatrano na sljedećoj slici:

Slika 5. Ljest refraktometra kalibrira se za izravan indeks loma. Izvor: Refraktometrija. Oregon State University.

Gornja ljestvica, uz pomoć vertikalne crte, označava glavno mjerenje: 1.460, dok donja mjeri 0.00068. Prilikom dodavanja, indeks loma je 1,46068.

Važnost valne duljine

Svjetlost koja pada na rasvjetu rasvjete promijenit će smjer. Ali budući da je riječ o elektromagnetskom valu, promjena će ovisiti o λ, duljini upadnog vala.

Budući da bijela svjetlost sadrži sve valne duljine, svaka se lomi u različitom stupnju. Da bi se izbjeglo ovo miješanje koje rezultira nejasnom slikom, svjetlo korišteno u refraktometru visoke rezolucije mora imati jedinstvenu i poznatu valnu duljinu. Najviše se koristi takozvana natrijeva D linija, čija je valna duljina 589,6 nm.

U slučajevima kada nije potrebna prevelika preciznost, prirodno svjetlo je dovoljno, čak i ako sadrži mješavinu valnih duljina. Međutim, kako bi se izbjeglo zamagljivanje ruba između svijetlog i tamnog na slici, neki modeli dodaju Amici kompenzacijske prizme.

Prednosti i nedostatci

Refraktometrija je brza, jeftina i pouzdana tehnika spoznaje čistoće neke tvari, zbog čega se široko koristi u kemiji, bioanalizi i prehrambenoj tehnologiji.

No, budući da postoje različite tvari s istim indeksom loma, potrebno je znati koja se analiza. Na primjer, za cikloheksan i neke slatke otopine poznato je da imaju isti indeks loma pri temperaturi od 20 ° C.

S druge strane, indeks loma znatno ovisi o temperaturi, kao što je spomenuto, osim tlaka i koncentracije refrakcijske otopine. Svi ovi parametri moraju se pažljivo nadgledati kada su potrebna mjerenja visoke preciznosti.

Što se tiče vrste refraktometra koji se koristi, to puno ovisi o primjeni kojoj je namijenjen. Evo nekih karakteristika glavnih vrsta:

Ručni abrafraframetar

-To je pouzdan instrument i slabo održavanje.

-Obično su jeftini.

-Vrlo je prikladno upoznati se s osnovnim načelima refraktometrije.

- Morate paziti da u prizoru s uzorkom ne ogrebete površinu prizme.

- Mora se čistiti nakon svake uporabe, ali ne može se raditi s papirom ili grubim materijalima.

- Operator refraktometra mora imati obuku.

-Svako se mjerenje mora registrirati ručno.

-Obično imaju vage kalibrirane posebno za određeni raspon tvari.

-Trebaju biti umjereni.

- Sustav kontrole temperature vodene kupelji može biti nezgodan za korištenje.

Digitalni refraktometri

-Jednostavno ih je pročitati, jer se mjerenje pojavljuje izravno na ekranu.

-Koristiju optičke senzore za očitavanje visoke preciznosti.

-Imaju mogućnost pohranjivanja i izvoza dobivenih podataka te ih u bilo kojem trenutku moći konzultirati.

-Oni su vrlo precizni, čak i za tvari čiji je indeks loma teško izmjeriti.

-Moguće je programirati različite ljestvice.

-Ne zahtijevaju podešavanje temperature vodom.

-Neki modeli uključuju mjerenja gustoće, na primjer, ili se mogu spojiti na mjerače gustoće, pH metara i druge, kako bi se uštedjelo vrijeme i dobili istodobna mjerenja.

-Nje potrebno ih ponovno kalibrirati, ali povremeno provjerite da li oni rade ispravno mjerenjem indeksa loma poznatih tvari, primjerice destilirane vode.

- Oni su skuplji od ručnih refraktometra.

Prijave

Poznavanje indeksa loma uzoraka ukazuje na njegov stupanj čistoće, zbog čega se tehnika široko koristi u prehrambenoj industriji:

-U kontroli kvalitete ulja kako bi se utvrdila njihova čistoća. Na primjer, pomoću refraktometrije moguće je znati je li suncokretovo ulje niže dodavanjem drugih ulja niže kvalitete.

Slika 6. Laboratorija prehrambene tehnologije. Izvor: Piqsels.

-U prehrambenoj industriji koristi se za poznavanje sadržaja šećera u slatkim pićima, džemima, mlijeku i njegovim derivatima i raznim umacima.

-Takođe su potrebni u kontroli kvalitete vina i piva, kako bi se odredio udio šećera i alkohola.

-U kemijskoj i farmaceutskoj industriji za kontrolu kvalitete sirupa, parfema, deterdženata i svih vrsta emulzija.

-Može izmjeriti koncentraciju uree - otpada iz metabolizma proteina - u krvi.

Reference

1. Tehnike laboratorija kemije. Refraktometrija. Oporavak od: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refraktometrija. Oporavilo od: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Usporedba različitih tehnika za mjerenje gustoće i refraktometrije. Oporavak od: mt.com.
4. Neto InterLab. Što je refraktometar i čemu služi? Oporavak od: net-interlab.es.
5. Oregon State University. Načela refraktometrije. Oporavak od: sites.science.oregonstate.edu.