- Com calcular l'índex de refracció
- Tipus de refractòmetres
- - Tipus òptic-manual com el refractòmetre d'Abbe
- Funcionament de l'refractòmetre d'Abbe
- L'angle crític
- Importància de la longitud d'ona
- Avantatges i desavantatges
- Refractòmetre d'Abbe manual
- refractòmetres digitals
- aplicacions
- referències
La refractometria és un mètode d'anàlisi òptic de substàncies que mesura l'índex de refracció d'una substància per determinar-ne les principals característiques. Es fonamenta en el fet que la llum, a el passar d'un medi a un altre, experimenta un canvi de direcció que depèn de la naturalesa d'aquests mitjans.
La velocitat de la llum en el buit és c = 300.000 km / s, però en l'aigua, per exemple, disminueix av = 225.000 km / s. L'índex de refracció n es defineix precisament com el quocient c / v.
Figura 1. Refractòmetre usat per mesurar el contingut de sucre en les fruites. Font: Wikimedia Commons.
Suposem que la llum de certa longitud d'ona incideix amb un angle predeterminat sobre la superfície que limita dos materials diferents. Llavors la direcció de l'raig canviarà, perquè cada mitjà té un índex de refracció diferent.
Com calcular l'índex de refracció
La llei de Snell relaciona l'índex de refracció entre dos mitjans 1 i 2 com:
Aquí n 1 és l'índex de refracció en el mitjà 1, θ 1 és l'angle d'incidència de l'raig sobre la superfície límit, n 2 és l'índex de refracció en el medi 2 i θ 2 és l'angle de refracció, en la direcció prossegueix el raig transmès.
Figura 2. Raig de llum incidint en dos mitjans diferents. Font: Wikimedia Commons.
L'índex de refracció dels materials és constant i es coneix sota certes condicions físiques. Amb això es pot calcular l'índex de refracció d'un altre mitjà.
Per exemple, si la llum passa a través d'un prisma de vidre l'índex és n 1 i després per la substància l'índex es vol conèixer, mesurant acuradament l'angle d'incidència i el de refracció, s'obté:
Tipus de refractòmetres
El refractòmetre és un instrument que mesura l'índex de refracció d'un líquid o d'un sòlid amb cares planes i llises. Hi ha dos tipus de refractòmetres:
-De tipus òptic-manual com el refractòmetre d'Abbe.
-Refractómetros digitals.
- Tipus òptic-manual com el refractòmetre d'Abbe
El refractòmetre d'Abbe va ser inventat al segle XIX per Ernst Abbe (1840-1905), físic alemany que va contribuir notablement a el desenvolupament de l'Òptica i la termodinàmica. Aquest tipus de refractòmetre és àmpliament utilitzat en la indústria d'aliments i laboratoris d'ensenyament i consta bàsicament de:
-Una llum com a font lluminosa, generalment de vapor de sodi, la longitud d'ona és coneguda. Hi ha models que fan servir llum blanca normal, la qual conté totes les longituds d'ona visibles, però porten incorporats uns prismes anomenats prismes de Amici, que eliminen les longituds d'ona no desitjades.
-Un prisma d'il·luminació i un altre prisma de refracció, entre els quals es col·loca la mostra l'índex es vol mesurar.
-Termómetro, ja que l'índex de refracció depèn de la temperatura.
Mecanismes d'ajust per a la imatge.
-El ocular, mitjançant el qual l'observador porta a terme la mesura.
La disposició d'aquestes parts bàsiques pot variar segons el disseny (veure figura 3 esquerra). Seguidament veurem els principis de funcionament.
Figura 3. A l'esquerra un refractòmetre d'Abbe ia la dreta un esquema bàsic de funcionament. Font: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Funcionament de l'refractòmetre d'Abbe
El procediment és el següent: la mostra es col·loca entre el prisma de refracció -que va fix-, i el prisma d'il·luminació -abatible-.
El prisma de refracció està molt polit i el seu índex de refracció és elevat, mentre que el d'il·luminació és mat i rugós en la superfície de contacte. D'aquesta manera, quan s'encén el llum, s'emet llum en totes les direccions sobre la mostra.
El raig AB de la figura 3 és el que té la major desviació possible, per això a la dreta del punt C un observador veurà un camp ombrejat, mentre que el sector de l'esquerra estarà il·luminat. El mecanisme d'ajust entra en acció ara, ja que el que es busca és fer que els dos camps tinguin la mateixa mida.
Per això hi ha una marca d'ajuda en l'ocular, que varia segons el disseny, però pot ser una creu o un altre tipus de senyal, que serveixi per centrar els camps.
A l'fer que els dos camps tinguin la mateixa mida, es pot mesurar l'angle crític o angle límit, que és l'angle en el qual el raig transmès passaria rasant per la superfície que separa els mitjans (veure figura 4).
Conèixer aquest angle permet calcular directament l'índex de refracció de la mostra, tenint el del prisma. Vegem això amb més detall tot seguit.
L'angle crític
En la següent figura veiem que l'angle crític θ c és aquell en el qual el raig viatja just sobre la superfície límit.
Si s'incrementa més l'angle llavors el feix no arriba cap al medi 2, sinó que és reflectit i continua en el medi 1. La llei de Snell aplicada a aquest cas seria: sin θ 2 = sin 90º = 1, la qual cosa porta directament a l'índex de refracció en el medi 2:
Figura 4. Angle crític. Font: F. Zapata.
Doncs bé, l'angle crític s'obté justament igualant la mida dels camps de llum i ombra que es veuen per l'ocular, pel que a més s'observa una escala graduada.
L'escala sol estar calibrada per a la lectura directa de l'índex de refracció, així que, depenent de el model de l'refractòmetre, l'operador veurà una cosa semblant al que s'observa en la següent imatge:
Figura 5. L'escala d'un refractòmetre està calibrada per donar directament l'índex de refracció. Font: Refractometry. Oregon State University.
L'escala superior, amb ajuda de la línia vertical, indica la mesura principal: 1.460, mentre que l'escala inferior llança 0,00068. A l'sumar es té l'índex de refracció 1.46068.
Importància de la longitud d'ona
La llum que incideix sobre el prisma d'il·luminació canviarà la seva direcció. Però a l'tractar-se d'una ona electromagnètica, el canvi dependrà de λ, la longitud de l'ona incident.
Com la llum blanca conté totes les longituds d'ona, cadascuna es refracta en diferent grau. Per evitar aquesta barreja que dóna lloc a una imatge difusa, la llum que s'usa en un refractòmetre d'alta resolució ha de tenir una longitud d'ona única i coneguda. La més usada és l'anomenada línia D de l'sodi, la longitud d'ona és 589,6 nm.
En els casos en què no es requereixi massa precisió, la llum natural és suficient, encara que contingui una barreja de longituds d'ona. No obstant això, per evitar que la vora entre la zona il·luminada i la fosca de la imatge es vegi difús, alguns models afegeixen els prismes compensadors de Amici.
Avantatges i desavantatges
La refractometria és una tècnica ràpida, econòmica i fiable per conèixer la puresa d'una substància, de manera que és d'ús molt estès en química, bioanàlisi i tecnologia d'aliments.
Però ja que hi ha substàncies diferents amb el mateix índex de refracció, cal saber quina és la que s'està analitzant. Per exemple, se sap que el ciclohexà i algunes solucions ensucrades tenen el mateix índex de refracció a una temperatura de 20 ºC.
D'altra banda, l'índex de refracció depèn en gran mesura de la temperatura, com es va dir anteriorment, a més de la pressió i la concentració de la solució refractora. Tots aquests paràmetres han de ser vigilats amb cura quan es requereix una gran precisió en les mesures.
Pel que fa a el tipus de refractòmetre a utilitzar, depèn molt de l'aplicació a la qual estigui destinat. A continuació algunes característiques dels tipus principals:
Refractòmetre d'Abbe manual
-És un instrument fiable i de baix manteniment.
-Solen ser econòmics.
-Molt apropiat per familiaritzar-se amb els principis fonamentals de la refractometria.
-S'ha de tenir cura de no ratllar la superfície de l'prisma en contacte amb la mostra.
-Cal netejar després de cada ús, però no pot fer-se amb paper o materials aspres.
-El operador de l'refractòmetre ha de tenir entrenament.
-Cada mesura ha de registrar a mà.
-Solen venir amb escales calibrades de manera específica per cert rang de substàncies.
-Requieren ser calibrats.
-El sistema de control de temperatura per bany d'aigua pot ser molest d'utilitzar.
refractòmetres digitals
-Són de fàcil lectura, ja que la mesura apareix directament en una pantalla.
-Emplean sensors òptics per a lectures d'alta precisió.
-Tenen la capacitat d'emmagatzemar i exportar les dades obtingudes i poder consultar-los en qualsevol moment.
-Són summament precisos, encara per a substàncies el índex de refracció sigui difícil mesurar.
-És possible programar diferents escales.
-No requereixen ajust de temperatura amb aigua.
-Alguns models incorporen mesures de la densitat, per exemple, o poden connectar-se a densímetros, mesuradors de pH i altres, per estalviar temps i obtenir mesures simultànies.
-No cal tornar a calibrar, sinó comprovar de tant en tant el bon funcionament mesurant l'índex de refracció de substàncies ben conegudes, com aigua destil·lada per exemple.
-Són més costosos que els refractòmetres manuals.
aplicacions
Conèixer l'índex de refracció d'una mostra assenyala el grau de puresa d'aquesta, per això la tècnica és àmpliament utilitzada en la indústria dels aliments:
-En el control de qualitat dels olis, per determinar la seva puresa. Per exemple mitjançant refractometria és possible saber si un oli de gira-sol es va rebaixar afegint altres olis de menor qualitat.
Figura 6. Laboratori de tecnologia d'aliments. Font: Piqsels.
-Es fa servir en la indústria d'aliments per saber el contingut de sucre en begudes ensucrades, melmelades, la llet i els seus derivats i salses diverses.
-També són necessaris en el control de qualitat de vins i cerveses, per determinar el contingut de sucre i la graduació alcohòlica.
-A la indústria química i farmacèutica per al control de qualitat de xarops, perfums, detergents i tota classe d'emulsions.
-Poden mesurar la concentració d'urea -un rebuig de l'metabolisme de les proteïnes- a la sang.
referències
- Chemistry Lab Techniques. Refractometry. Recuperat de: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refractometria. Recuperat de: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Comparació de diferents tècniques de mesurament de la densitat i la refractometria. Recuperat de: mt.com.
- Net Interlab. Què és un refractòmetre i per a què serveix ?. Recuperat de: net-interlab.es.
- Oregon State University. Principles of refractometry. Recuperat de: sites.science.oregonstate.edu.