REFRAKTOMETRIA: ZDÔVODNENIE, TYPY REFRAKTOMETROV, APLIKÁCIE - CHÉMIA - 2025

Refraktometer je metóda optické analýzy látok, ktoré merajú index lomu látky pre stanovenie jeho hlavné črty. Je založená na skutočnosti, že svetlo pri prechode z jedného média na druhé prechádza zmenou smeru, ktorá závisí od povahy týchto médií.

Rýchlosť svetla vo vákuu je c = 300 000 km / s, ale napríklad vo vode klesá na v = 225 000 km / s. Index lomu n je presne definovaný ako pomer c / v.

Obrázok 1. Refraktometer používaný na meranie obsahu cukru v ovocí. Zdroj: Wikimedia Commons.

Predpokladajme, že svetlo s určitou vlnovou dĺžkou dopadá vo vopred stanovenom uhle na povrch, ktorý obmedzuje dva rôzne materiály. Potom sa zmení smer lúča, pretože každé médium má iný index lomu.

Ako vypočítať index lomu

Snell zákon upravuje index lomu medzi dvoma médiami 1 a 2 ako:

Tu n ₁ je index lomu v médiu 1, θ ₁ je uhol dopadu lúča na rozhraní povrchu, n ₂ je index lomu v prostredí 2 a θ ₂ je uhol lomu, v ktorom smere vysielaný lúč pokračuje.

Obrázok 2. Lúč svetla dopadajúci na dve rôzne médiá. Zdroj: Wikimedia Commons.

Index lomu materiálov je konštantný a je známy za určitých fyzikálnych podmienok. Týmto sa dá vypočítať index lomu iného média.

Napríklad, ak svetlo prechádza cez sklenený hranol, ktorého index je n _1, a potom cez látku, ktorej index chceme poznať, opatrným meraním uhla dopadu a uhla lomu získame:

Druhy refraktometrov

Refraktometer je prístroj, ktorý meria index lomu kvapaliny alebo tuhej látky s plochými a hladkými plochami. Existujú dva typy refraktometrov:

-Optický typ, ako je refraktometer Abbe.

- Digitálne refraktometre.

- Opticky manuálny typ, ako je Abbeho refraktometer

Refraktometer Abbe bol vynájdený v 19. storočí nemeckým fyzikom Ernstom Abbeom (1840-1905), ktorý významne prispel k rozvoju optiky a termodynamiky. Tento typ refraktometra sa široko používa v potravinárskom priemysle a vo výučbových laboratóriách av zásade pozostáva z:

- žiarovka ako zdroj svetla, zvyčajne sodná para, ktorej vlnová dĺžka je známa. Existujú modely, ktoré používajú normálne biele svetlo, ktoré obsahuje všetky viditeľné vlnové dĺžky, ale majú vstavané hranoly nazývané Amici hranoly, ktoré eliminujú nežiaduce vlnové dĺžky.

- Osvetľovací hranol a ďalší refrakčný hranol, medzi ktoré sa umiestni vzorka, ktorej index sa má merať.

- Teplomer, pretože index lomu závisí od teploty.

- Nastavovacie mechanizmy pre obraz.

- okulár, ktorým pozorovateľ vykonáva meranie.

Usporiadanie týchto základných častí sa môže líšiť v závislosti od konštrukcie (pozri obrázok 3 vľavo). Ďalej uvidíme princípy fungovania.

Obrázok 3. Na ľavej strane je refraktometer Abbe a napravo základná schéma činnosti. Zdroj: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Ako funguje refraktometer Abbe

Postup je nasledujúci: vzorka sa umiestni medzi refrakčný hranol - ktorý je pevný - a osvetľovací hranol - snímateľný -.

Refrakčný hranol je vysoko leštený a jeho index lomu je vysoký, zatiaľ čo iluminačný hranol je matný a drsný na kontaktnej ploche. Týmto spôsobom, keď je lampa zapnutá, je svetlo emitované vo všetkých smeroch na vzorke.

Ray AB na obrázku 3 je ten, ktorý má najväčšiu možnú odchýlku, takže vpravo od bodu C uvidí pozorovateľ zatienené pole, zatiaľ čo sektor vľavo sa rozsvieti. Mechanizmus nastavenia sa teraz aktivuje, pretože chcete, aby tieto dve polia mali rovnakú veľkosť.

Z tohto dôvodu je na okulári pomocná značka, ktorá sa líši v závislosti od konštrukcie, ale môže to byť kríž alebo iný typ signálu, ktorý slúži na centrovanie polí.

Vytvorením týchto dvoch polí rovnakej veľkosti je možné zmerať kritický uhol alebo limitný uhol, čo je uhol, pod ktorým by prechádzajúci lúč prešiel spásaním povrchu oddeľujúceho médium (pozri obrázok 4).

Poznanie tohto uhla umožňuje priamo vypočítať index lomu vzorky, pričom sa získa hranol. Pozrime sa na to podrobnejšie nižšie.

Kritický uhol

Na nasledujúcom obrázku vidíme, že kritický uhol t Vstup _c je ten, pri ktorom sa lúč pohybuje len niečo málo cez ohraničujúce plochy.

Ak sa uhol ďalej zväčšuje, lúč nedosahuje stred 2, ale je odrazený a pokračuje v strede 1. Snellov zákon, ktorý sa v tomto prípade uplatňuje, by bol: sin θ ₂ = sin 90º = 1, čo vedie priamo na index lomu v médiu 2:

Obrázok 4. Kritický uhol. Zdroj: F. Zapata.

Kritický uhol sa získa presne porovnaním veľkosti polí svetla a tieňa, ktoré sú pozorované okulárom, cez ktorý sa tiež pozoruje stupnica stupnice.

Stupnica je zvyčajne kalibrovaná na priame čítanie indexu lomu, takže operátor v závislosti od modelu refraktometra uvidí niečo podobné tomu, čo je pozorované na nasledujúcom obrázku:

Obrázok 5. Stupnica refraktometra sa kalibruje, aby sa získal priamo index lomu. Zdroj: Refraktometria. Oregonská štátna univerzita.

Horná stupnica pomocou zvislej čiary označuje hlavné meranie: 1.460, zatiaľ čo spodná stupnica ukazuje 0,00068. Pri pridávaní je index lomu 1,46068.

Dôležitosť vlnovej dĺžky

Svetlo dopadajúce na hranol osvetlenia zmení svoj smer. Ale pretože ide o elektromagnetickú vlnu, zmena bude závisieť od A, dĺžky dopadajúcej vlny.

Pretože biele svetlo obsahuje všetky vlnové dĺžky, každé z nich je lámané v rôznej miere. Aby sa zabránilo tomuto miešaniu, ktoré vedie k fuzzymu obrazu, musí mať svetlo použité v refraktometri s vysokým rozlíšením jedinečnú a známu vlnovú dĺžku. Najpoužívanejšia je takzvaná sodná línia D, ktorej vlnová dĺžka je 589,6 nm.

V prípadoch, keď sa nevyžaduje príliš veľká presnosť, postačuje prirodzené svetlo, aj keď obsahuje zmes vlnových dĺžok. Avšak, aby sa zabránilo rozmazaniu okraja medzi svetlom a tmou na obrázku, niektoré modely pridávajú Amiciho ​​kompenzačné hranoly.

Výhody a nevýhody

Refraktometria je rýchla, lacná a spoľahlivá technika na spoznanie čistoty látky, a preto sa bežne používa v chémii, bioanalýze a potravinárskej technológii.

Keďže však existujú rôzne látky s rovnakým indexom lomu, je potrebné vedieť, ktorá z nich sa analyzuje. Napríklad je známe, že cyklohexán a niektoré sladké roztoky majú rovnaký index lomu pri teplote 20 ° C.

Na druhej strane index lomu je okrem tlaku a koncentrácie refrakčného roztoku vysoko závislý od teploty, ako je uvedené vyššie. Všetky tieto parametre sa musia starostlivo monitorovať, keď sa vyžaduje vysoká presnosť merania.

Pokiaľ ide o typ refraktometra, ktorý sa má použiť, veľa záleží na aplikácii, pre ktorú je určený. Tu sú niektoré charakteristiky hlavných typov:

Ručný refraktometer Abbe

-Je to spoľahlivý a nenáročný nástroj na údržbu.

-Oni sú zvyčajne lacné.

- Je vhodné oboznámiť sa so základnými zásadami refraktometrie.

- Je potrebné dávať pozor, aby sa nepoškodil povrch hranolu pri kontakte so vzorkou.

- Musí sa vyčistiť po každom použití, ale nemôže sa vykonať pomocou papiera alebo drsných materiálov.

- Operátor refraktometra musí mať výcvik.

- Každé meranie musí byť zaregistrované ručne.

-Zvyčajne prichádzajú s váhami kalibrovanými špeciálne pre určitý rozsah látok.

- Vyžadujú kalibráciu.

- Systém regulácie teploty vodného kúpeľa môže byť ťažkopádny.

Digitálne refraktometre

- Sú ľahko čitateľné, pretože meranie sa zobrazuje priamo na obrazovke.

-Používajú optické senzory na vysoko presné odčítanie.

- Majú možnosť ukladať a exportovať získané údaje a kedykoľvek sa s nimi môžu poradiť.

- Sú mimoriadne presné, dokonca aj pre látky, ktorých index lomu je ťažké merať.

- Je možné programovať rôzne stupnice.

- Nevyžaduje nastavenie teploty vodou.

- Niektoré modely obsahujú napríklad merania hustoty alebo môžu byť pripojené k meračom hustoty, pH metrom a iným, aby sa ušetril čas a získali sa súčasné merania.

- Nie je potrebné ich prekalibrovať, ale občas skontrolujte, či správne fungujú meraním indexu lomu známych látok, napríklad destilovanej vody.

- Sú drahšie ako manuálne refraktometre.

aplikácia

Znalosť indexu lomu vzorky naznačuje jej stupeň čistoty, a preto je táto technika v potravinárskom priemysle široko používaná:

- Pri kontrole kvality olejov určiť ich čistotu. Napríklad pomocou refraktometrie je možné zistiť, či sa slnečnicový olej znížil pridaním ďalších olejov nižšej kvality.

Obrázok 6. Laboratórium potravinárskej technológie. Zdroj: Piqsels.

-Používa sa v potravinárskom priemysle na poznanie obsahu cukru v sladkých nápojoch, džemoch, mlieku a jeho derivátoch a rôznych omáčkach.

- Sú tiež potrebné pri kontrole kvality vína a piva, aby sa stanovil obsah cukru a obsah alkoholu.

- V chemickom a farmaceutickom priemysle na kontrolu kvality sirupov, parfumov, čistiacich prostriedkov a všetkých druhov emulzií.

-Môžu zmerať koncentráciu močoviny - odpadu z metabolizmu bielkovín - v krvi.

Referencie

1. Chemistry Lab Techniques. Refraktometria. Získané z: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refraktometria. Obnovené z: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Porovnanie rôznych techník merania hustoty a refraktometrie. Obnovené z: mt.com.
4. Net InterLab. Čo je refraktometer a na čo je určený? Získané z: net-interlab.es.
5. Oregonská štátna univerzita. Princípy refraktometrie. Získané z: sites.science.oregonstate.edu.