Refraktometria fundamentu, typy refraktorów, aplikacje

Refraktometria Jest to metoda analizy substancji optycznej, która mierzy współczynnik załamania substancji w celu ustalenia jej głównych cech. Opiera się na fakcie, że światło, przechodząc od jednego medium do drugiego, doświadcza zmiany kierunku, która zależy od charakteru tych środków.

Prędkość światła w próżni wynosi c = 300.000 km/s, ale na przykład w wodzie maleje do v = 225.000 km /s. Wskaźnik refrakcji N Jest zdefiniowany dokładnie jako iloraz C/v.

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

Załóżmy, że światło określonej długości fali wpływa na określony kąt na powierzchni, który ogranicza dwa różne materiały. Wtedy kierunek błyskawicy zmieni się, ponieważ każde medium ma inny współczynnik załamania światła.

[TOC]

Jak obliczyć wskaźnik refrakcji

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

N₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Tutaj n₁ Jest to wskaźnik refrakcji w medium 1, θ₁ Jest to kąt występowania błyskawicy na powierzchni granicznej, n₂ Jest to współczynnik załamania światła w medium 2 i θ₂ Jest to kąt refrakcji, w którego kierunku przesyłana błyskawica trwa.

Rysunek 2. Lekki promień wpływający na dwa różne media. Źródło: Wikimedia Commons.

Wskaźnik refrakcji materiału jest stały i jest znany w pewnych warunkach fizycznych. Dzięki temu możesz obliczyć współczynnik załamania światła innego medium.

Na przykład, jeśli światło przechodzi przez szklany pryzmat, którego indeks jest n₁ A potem z powodu substancji, której wskaźnik chcesz wiedzieć, ostrożnie mierząc kąt występowania i załamania, jest uzyskiwana:

N₂ = (sin θ₁ / sin θ₂). N₁

Rodzaje refraktometrów

Refraktometr to przyrząd, który mierzy współczynnik załamania światła cieczy lub substancji stałej z płaskimi i gładkimi twarzami. Istnieją dwa rodzaje refraktów:

-Typ optyczny-ręczny, taki jak refraktometr Abbe.

-Cyfrowe refaktyki.

- Typ optyczny-ręczny, taki jak refraktometr Abbe

Refraktometr Abbe został wynaleziony w XIX wieku przez Ernsta Abbe (1840–1905), niemieckiego fizyka, który znacząco przyczynił się do rozwoju optyki i termodynamiki. Ten rodzaj refraktometru jest szeroko stosowany w branży nauczania żywności i laboratoriów i zasadniczo składa się z:

-Lampa jako źródło świetliste, zwykle para sodu, której znana jest długość fali. Istnieją modele, które wykorzystują normalne białe światło, które zawiera wszystkie widoczne długości fal, ale przynoszą pryzmaty zwane pryzmatami Amici pryzmaty, które eliminują niechciane długości fal.

Może ci służyć: naturalne pierwiastki chemiczne

-A oświetlenie pryzmatyczne i inne Pryzmat refrakcji, wśród których umieszczona jest próbka, której wskaźnik ma do pomiaru.

-Termometr, ponieważ współczynnik załamania zależy od temperatury.

-Mechanizmy regulacji obrazu.

-Oka, przez który obserwator realizuje miarę.

Układ tych podstawowych części może się różnić w zależności od projektu (patrz rysunek 3 po lewej). Zobaczymy zasady działania.

Rysunek 3. Po lewej stronie refraktometr Abbe i po prawej stronie podstawowy schemat pracy. Źródło: Wikimedia Commons. 丰泽 一 号 [cc by-sa (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)]

Abbe Operacja refraktometru

Procedura jest następująca: próbka jest umieszczana między pryzmatem refrakcji -który jest ustalony -a pryzmat oświetleniowy-.

Pryzmat refrakcji jest bardzo pociągnięty, a jego wskaźnik refrakcji jest wysoki, podczas gdy oświetlenie jest matowe i szorstkie na powierzchni styku. W ten sposób, gdy lampa jest oświetlona, ​​światło jest emitowane we wszystkich kierunkach na próbce.

Ray AB na rycinie 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 wchodzi teraz w działanie, ponieważ poszukiwano tego, aby oba pola.

W tym celu istnieje marka pomocy w oka, która zmienia się w zależności od projektu, ale może to być krzyż lub inny rodzaj sygnału, który służy do skupienia pól.

Gdy dwa pola mają ten sam rozmiar, można zmierzyć kąt krytyczny lub kąt graniczny, który jest kątem, w którym przesyłany promień udzieliłby przez powierzchnię, która oddziela media (patrz rysunek 4).

Znajomość tego kąta pozwala bezpośrednio obliczyć wskaźnik refrakcji próbki, mając pryzmat. Zobaczmy to bardziej szczegółowo.

Krytyczny kąt 

Na poniższym rysunku widzimy, że kąt krytyczny θ_C Jest to taki, w którym błyskawica podróżuje tuż na powierzchni granicznej.

Jeśli kąt wzrośnie bardziej, wiązka nie osiąga medium 2, ale jest odbijana i jest kontynuowana w średnim 1. Prawo Snella zastosowane w tej sprawie brzmiałoby: Sen θ₂ = Sen 90º = 1, który prowadzi bezpośrednio do współczynnika załamania światła w medium 2:

N₂ = n₁ sin θ_C

Rysunek 4. Kąt krytyczny. Źródło: f. Zapata.

Cóż, kąt krytyczny uzyskuje się po prostu wyrównując rozmiar świateł światła i cienia, które są widoczne przez oka, co również obserwuje stopniową skalę.

Może ci służyć: elektron różnicowy

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

Rysunek 5. Skala refraktometru jest skalibrowana, aby bezpośrednio podać wskaźnik refrakcji. Źródło: refraktometria. Oregon State University.

Górna skala za pomocą linii pionowej wskazuje główną miarę: 1.460, podczas gdy niższa skala pokazuje 0.00068. Kiedy masz indeks refrakcji 1.46068.

Znaczenie długości fali 

Światło, które wpływa na oświetlenie pryzmat zmieni jego kierunek. Ale ponieważ jest to fala elektromagnetyczna, zmiana będzie zależeć od λ, długości fali padającej.

Ponieważ białe światło zawiera wszystkie długości fali, każda z nich jest załamana w innym stopniu. Aby uniknąć tej mieszaniny, która powoduje rozproszony obraz, światło stosowane w refraktometrze o wysokiej rozdzielczości musi mieć unikalną i dobrze znaną długość fali. Najczęściej używana jest linia sodowa SO, której długość fali wynosi 589,6 nm.

W przypadkach, w których wymagana jest zbyt precyzja, naturalne światło jest wystarczające, chociaż zawiera mieszaninę długości fali. Jednak, aby zapobiec krawędzi między oświetlonym a ciemnym obszarem obrazu, niektóre modele dodają pryzmaty kompensujące amici.

Zalety i wady

Refraktometria jest szybką, ekonomiczną i niezawodną techniką poznania czystości substancji, więc jest bardzo rozpowszechniona w chemii, bioanalizie i technologii żywności.

Ale ponieważ istnieją różne substancje z tym samym współczynnikiem załamania światła, należy wiedzieć, który z nich jest analizowany. Na przykład wiadomo, że cykloheksan i niektóre słodkie roztwory mają ten sam współczynnik załamania w temperaturze 20 ° C.

Z drugiej strony współczynnik załamania zależy w dużej mierze od temperatury, jak stwierdzono powyżej, oprócz ciśnienia i stężenia roztworu refrakcyjnego. Wszystkie te parametry muszą być starannie monitorowane, gdy wymagana jest duża precyzja w środkach.

Jeśli chodzi o rodzaj refraktometru, który ma być używany, zależy to bardzo od zastosowania, do którego jest zamierzony. Oto kilka cech głównych typów:

Ręcznie refraktometr Abbe

-Jest to niezawodny i niski instrument konserwacyjny.

-Są zwykle ekonomiczne.

Może ci służyć: analit

-Bardzo odpowiednie do zapoznania podstawowych zasad refraktometrii.

-Musisz uważać, aby nie zarysować powierzchni pryzmatu w kontakcie z próbką.

-Musisz wyczyścić po każdym użyciu, ale nie można tego zrobić za pomocą papieru lub szorstkich materiałów.

-Operator refraktometru musi mieć trening.

-Każda miara musi być zarejestrowana ręcznie.

-Zwykle są dostarczane ze skalibrowanymi skalami specjalnie dla określonego zakresu substancji.

-Muszą być skalibrowane.

-System kontroli kąpieli wodnej może być uciążliwy.

Cyfrowe refaktyki

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

-Używają czujników optycznych do odczytów o wysokiej precyzyjnej.

-Mają możliwość przechowywania i eksportowania uzyskanych danych i móc skonsultować się z nimi w dowolnym momencie.

-Są niezwykle precyzyjne, nawet w przypadku substancji, których wskaźnik refrakcji jest trudny do zmierzenia.

-Możliwe jest zaprogramowanie różnych skal.

-Nie wymagają regulacji temperatury z wodą.

-Niektóre modele zawierają na przykład pomiary gęstości lub mogą łączyć się z densymeterami, licznikami pH i innymi, aby oszczędzać czas i uzyskać jednoczesne pomiary.

-To nie jest konieczne.

-Są droższe niż ręczne refraktometry.

Aplikacje

Znajomość wskaźnika refrakcji próbki wskazuje na stopień czystości tego, więc technika jest szeroko stosowana w przemyśle spożywczym:

-W kontroli jakości olejów, aby określić ich czystość. Na przykład za pomocą refraktometrii można wiedzieć, czy olej słonecznikowy został zmniejszony przez dodanie innych olejków o niższej jakości.

Rysunek 6. Laboratorium technologii spożywczej. Źródło: Piqsels.

-Jest używany w branży spożywczej, aby poznać zawartość cukru w ​​słodkich napojach, dżemach, mleku i ich pochodnych i różnorodnych sosach.

-Są również niezbędne do kontroli jakości win i piw, aby określić zawartość cukru i ukończenie alkoholu.

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

-Mogą mierzyć stężenie mocznika - odpady z metabolizmu białek - we krwi.

Bibliografia

1. Techniki laboratoryjne chemii. Refraktometria. Odzyskane z: 2.UPS.Edu.
2. Gavira, J. Refraktometria. Źródło: Triplenlace.com
3. Mettle-Toledo. Porównanie różnych technik pomiaru gęstości i refraktometrii. Odzyskany z: MT.com.
4. Net Net Interlab. Czym jest refraktometr i do czego służy?. Odzyskane z: Net-Interlab.Jest.
5. Oregon State University. Zasady refraktometrii. Odzyskane z: Witryny.Nauka.Oregonstate.Edu.