REFRAKTOMETRIE: ZDŮVODNĚNÍ, TYPY REFRAKTOMETRŮ, APLIKACE - CHEMIE - 2025

Refraktometr je metoda optické analýzy látek, které měří index lomu látky pro stanovení jeho hlavní rysy. Je založeno na skutečnosti, že světlo při přechodu z jednoho média na druhé prochází změnou směru, která závisí na povaze těchto médií.

Rychlost světla ve vakuu je c = 300 000 km / s, ale například ve vodě klesá na v = 225 000 km / s. Index lomu n je přesně definován jako poměr c / v.

Obrázek 1. Refraktometr používaný k měření obsahu cukru v ovoci. Zdroj: Wikimedia Commons.

Předpokládejme, že světlo o určité vlnové délce dopadá v předem stanoveném úhlu na povrch, který omezuje dva různé materiály. Směr paprsku se pak změní, protože každé médium má jiný index lomu.

Jak vypočítat index lomu

Snellův zákon uvádí index lomu mezi dvěma médii 1 a 2 jako:

Zde n ₁ je index lomu v médiu 1, 9 ₁ je úhel dopadu paprsku na hraničním povrchu, n ₂ je index lomu v médiu 2 a 9 ₂ je úhel lomu, ve kterém směru vysílaný paprsek pokračuje.

Obrázek 2. Paprsek světla dopadající na dvě různá média. Zdroj: Wikimedia Commons.

Index lomu materiálů je konstantní a je známý za určitých fyzikálních podmínek. Tím lze vypočítat index lomu jiného média.

Například, pokud světlo prochází skleněným hranolem, jehož index je n _1, a poté látkou, jejíž index chceme vědět, pečlivě změříme úhel dopadu a úhel lomu, získáme:

Druhy refraktometrů

Refraktometr je nástroj, který měří index lomu kapaliny nebo pevné látky s plochými a hladkými plochami. Existují dva typy refraktometrů:

-Optický-ruční typ jako Abbeův refraktometr.

-Digitální refraktometry.

- Opticky manuální typ jako Abbeův refraktometr

Refraktometr Abbeho byl vynalezen v 19. století německým fyzikem Ernstem Abbeem (1840-1905), který významně přispěl k rozvoji optiky a termodynamiky. Tento typ refraktometru je široce používán v potravinářském průmyslu a ve školních laboratořích a v podstatě sestává z:

- Lampa jako zdroj světla, obvykle sodíková pára, jejíž vlnová délka je známa. Existují modely, které používají normální bílé světlo, které obsahuje všechny viditelné vlnové délky, ale mají vestavěné hranoly zvané Amici hranoly, které eliminují nežádoucí vlnové délky.

- Osvětlovací hranol a další lomový hranol, mezi který je umístěn vzorek, jehož index se má měřit.

- Teploměr, protože index lomu závisí na teplotě.

-Upravovací mechanismy pro obraz.

- Okulár, kterým pozorovatel provádí měření.

Uspořádání těchto základních částí se může lišit v závislosti na konstrukci (viz obrázek 3 vlevo). Dále uvidíme principy fungování.

Obrázek 3. Vlevo Abbeův refraktometr a vpravo základní provozní schéma. Zdroj: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Jak Abbe refraktometr funguje

Postup je následující: vzorek se umístí mezi refrakční hranol - který je pevný - a osvětlovací hranol - snímatelný -.

Refrakční hranol je vysoce leštěný a jeho index lomu je vysoký, zatímco osvětlovací hranol je matný a drsný na kontaktní ploše. Tímto způsobem, když je lampa zapnutá, je světlo emitováno ve všech směrech na vzorku.

Ray AB na obrázku 3 je ten s největší možnou odchylkou, takže vpravo od bodu C uvidí pozorovatel stínované pole, zatímco sektor vlevo bude osvětlen. Nastavovací mechanismus přichází do činnosti nyní, protože chcete, aby obě pole měla stejnou velikost.

Za tímto účelem je na okuláru pomocná značka, která se liší v závislosti na konstrukci, ale může to být kříž nebo jiný typ signálu, který slouží ke středu polí.

Vytvořením dvou polí na stejnou velikost lze měřit kritický úhel nebo mezní úhel, což je úhel, pod kterým by přenášený paprsek procházel pastvou povrchu, který odděluje médium (viz obrázek 4).

Znalost tohoto úhlu umožňuje přímo vypočítat index lomu vzorku, přičemž se použije hranol. Podívejme se na to podrobněji níže.

Kritický úhel

Na následujícím obrázku vidíme, že kritický úhel t Vstup _c je ten, při kterém se paprsek pohybuje jen něco málo přes ohraničující plochy.

Je-li úhel dále zvyšuje, pak paprsek nedosáhne střední 2, ale se odráží a pokračuje ve středu 1. Snellova zákona aplikovány na tomto případě by bylo: sin t Vstup ₂ = sin 90 ° = 1, která vede přímo na index lomu v médiu 2:

Obrázek 4. Kritický úhel. Zdroj: F. Zapata.

Kritický úhel se získá přesně rovnicí velikosti polí světla a stínu, které jsou vidět okulárem, skrze které je také pozorováno odstupňované měřítko.

Měřítko je obvykle kalibrováno pro přímé čtení indexu lomu, takže v závislosti na modelu refraktometru uvidí operátor něco podobného tomu, co je pozorováno na následujícím obrázku:

Obrázek 5. Měřítko refraktometru je kalibrováno tak, aby přímo poskytovalo index lomu. Zdroj: Refraktometrie. Oregonská státní univerzita.

Horní stupnice pomocí svislé čáry označuje hlavní měření: 1.460, zatímco dolní stupnice ukazuje 0,00068. Při přidávání je index lomu 1,46068.

Význam vlnové délky

Světlo dopadající na hranol osvětlení změní svůj směr. Ale protože se jedná o elektromagnetickou vlnu, bude změna záviset na λ, délce dopadající vlny.

Protože bílé světlo obsahuje všechny vlnové délky, každé z nich je lomeno v různé míře. Aby se zabránilo tomuto míchání, které vede k fuzzymu obrazu, musí mít světlo použité v refraktometru s vysokým rozlišením jedinečnou a známou vlnovou délku. Nejpoužívanější je tzv. Sodíková D linie, jejíž vlnová délka je 589,6 nm.

V případech, kdy není vyžadována přílišná přesnost, postačí přirozené světlo, i když obsahuje směs vlnových délek. Nicméně, aby se zabránilo rozmazání okraje mezi světlem a tmou v obraze, některé modely přidávají Amiciovy kompenzační hranoly.

Výhody a nevýhody

Refraktometrie je rychlá, levná a spolehlivá technika znát čistotu látky, proto je široce používána v chemii, bioanalýze a technologii potravin.

Ale protože existují různé látky se stejným indexem lomu, je nutné vědět, která z nich je analyzována. Například je známo, že cyklohexan a některé sladké roztoky mají stejný index lomu při teplotě 20 ° C.

Na druhé straně index lomu je kromě tlaku a koncentrace refrakčního roztoku vysoce závislý na teplotě, jak bylo uvedeno výše. Všechny tyto parametry musí být pečlivě sledovány, pokud jsou vyžadována měření s vysokou přesností.

Co se týče typu refraktometru, který se má použít, hodně záleží na aplikaci, pro kterou je určen. Zde jsou některé charakteristiky hlavních typů:

Ruční abbe refraktometr

-Je to spolehlivý a nenáročný přístroj.

-Jsou obvykle levné.

-Je vhodné se seznámit se základními principy refraktometrie.

- Je třeba dbát na to, aby nedošlo k poškrábání povrchu hranolu při kontaktu se vzorkem.

- Musí být očištěno po každém použití, ale nelze jej provést pomocí papíru nebo hrubých materiálů.

- Operátor refraktometru musí mít výcvik.

- Každé měření musí být registrováno ručně.

-Zpravidla přicházejí s váhami kalibrovanými speciálně pro určitý rozsah látek.

- Vyžadují kalibraci.

- Systém regulace teploty vodní lázně může být těžkopádný.

Digitální refraktometry

- Jsou snadno čitelné, protože měření se zobrazuje přímo na obrazovce.

-Používají optické senzory pro vysokou přesnost měření.

-Mají schopnost ukládat a exportovat získaná data a být schopni je kdykoli konzultovat.

- Jsou extrémně přesné, a to i pro látky, jejichž index lomu je obtížné měřit.

-Je možné programovat různá měřítka.

- Nevyžaduje nastavení teploty vodou.

- Některé modely zahrnují například měření hustoty nebo mohou být připojeny k měřičům hustoty, pH měřičům a dalším, což šetří čas a získává simultánní měření.

- Není nutné je znovu kalibrovat, ale čas od času zkontrolujte, zda správně fungují měřením indexu lomu dobře známých látek, například destilované vody.

-Jsou dražší než manuální refraktometry.

Aplikace

Znalost indexu lomu vzorku ukazuje jeho stupeň čistoty, proto je tato technika v potravinářském průmyslu široce používána:

- Při kontrole kvality olejů určit jejich čistotu. Například prostřednictvím refraktometrie je možné vědět, zda byl slunečnicový olej snížen přidáním dalších olejů nižší kvality.

Obrázek 6. Laboratoř potravinářské technologie. Zdroj: Piqsels.

-Je používán v potravinářském průmyslu k poznání obsahu cukru v sladkých nápojích, džemech, mléce a jeho derivátech a různých omáčkách.

- Jsou také nezbytní při kontrole kvality vín a piva, aby se stanovil obsah cukru a obsah alkoholu.

- V chemickém a farmaceutickém průmyslu pro kontrolu kvality sirupů, parfémů, detergentů a všech druhů emulzí.

- Mohou měřit koncentraci močoviny - odpadu z metabolismu bílkovin - v krvi.

Reference

1. Chemistry Lab Techniques. Refraktometrie. Obnoveno z: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refraktometrie. Obnoveno z: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Porovnání různých technik pro měření hustoty a refraktometrie. Obnoveno z: mt.com.
4. Net InterLab. Co je refraktometr a k čemu je? Obnoveno z: net-interlab.es.
5. Oregonská státní univerzita. Principy refraktometrie. Obnoveno z: sites.science.oregonstate.edu.