REFRACTOMETRIE: GRONDGEDACHTE, SOORTEN REFRACTOMETERS, TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2026

De refractometer is een methode voor optische analyse van stoffen die de brekingsindex van een stof meet om de belangrijkste kenmerken ervan te bepalen. Het is gebaseerd op het feit dat licht, wanneer het van het ene medium naar het andere gaat, een richtingsverandering ondergaat die afhankelijk is van de aard van deze media.

De lichtsnelheid in vacuüm is c = 300.000 km / s, maar in water neemt het bijvoorbeeld af naar v = 225.000 km / s. De brekingsindex n wordt precies gedefinieerd als de c / v-verhouding.

Figuur 1. Refractometer gebruikt om het suikergehalte in fruit te meten. Bron: Wikimedia Commons.

Stel dat licht van een bepaalde golflengte onder een vooraf bepaalde hoek op het oppervlak valt die twee verschillende materialen beperkt. Dan zal de richting van de straal veranderen, omdat elk medium een ​​andere brekingsindex heeft.

Hoe de brekingsindex te berekenen

De wet van Snell relateert de brekingsindex tussen twee media 1 en 2 als:

Hier is n ₁ de brekingsindex in medium 1, θ ₁ is de invalshoek van de straal op het grensoppervlak, n ₂ is de brekingsindex in medium 2 en θ ₂ is de brekingshoek, in welke richting de uitgezonden straal gaat door.

Figuur 2. Lichtstraal die twee verschillende media treft. Bron: Wikimedia Commons.

De brekingsindex van materialen is constant en is bekend onder bepaalde fysische omstandigheden. Hiermee kan de brekingsindex van een ander medium worden berekend.

Als licht bijvoorbeeld door een glazen prisma gaat waarvan de index n _{1 is} en vervolgens door de stof waarvan we de index willen weten, waarbij we zorgvuldig de invalshoek en de brekingshoek meten, krijgen we:

Soorten refractometers

De refractometer is een instrument dat de brekingsindex meet van een vloeistof of een vaste stof met platte en gladde oppervlakken. Er zijn twee soorten refractometers:

-Optisch-handmatig type zoals de Abbe refractometer.

-Digitale refractometers.

- Optisch-handmatig type zoals de refractometer van Abbe

De Abbe-refractometer werd in de 19e eeuw uitgevonden door Ernst Abbe (1840-1905), een Duitse natuurkundige die aanzienlijk heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van optica en thermodynamica. Dit type refractometer wordt veel gebruikt in de voedingsindustrie en onderwijslaboratoria en bestaat in wezen uit:

-Een lamp als lichtbron, meestal natriumdamp, waarvan de golflengte bekend is. Er zijn modellen die normaal wit licht gebruiken, dat alle zichtbare golflengten bevat, maar ze hebben ingebouwde prisma's, Amici-prisma's genaamd, die ongewenste golflengten elimineren.

-Een verlichtingsprisma en een ander brekingsprisma waartussen het monster wordt geplaatst waarvan de index moet worden gemeten.

-Thermometer, aangezien de brekingsindex afhankelijk is van de temperatuur.

-Aanpassingsmechanismen voor het beeld.

-Het oculair waardoor de waarnemer de meting uitvoert.

De opstelling van deze basisonderdelen kan variëren afhankelijk van het ontwerp (zie figuur 3 links). Vervolgens zullen we de werkingsprincipes zien.

Figuur 3. Links een Abbe refractometer en rechts een basis bedieningsschema. Bron: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Hoe Abbe Refractometer werkt

De procedure is als volgt: het monster wordt tussen het refractieprisma - dat vast zit - en het verlichtingsprisma - vetbestendig - geplaatst.

Het brekingsprisma is sterk gepolijst en de brekingsindex is hoog, terwijl het verlichtingsprisma mat en ruw is op het contactoppervlak. Op deze manier wordt bij het inschakelen van de lamp licht in alle richtingen op het monster uitgezonden.

Straal AB in figuur 3 is degene met de grootst mogelijke afwijking, dus rechts van punt C zal een waarnemer een gearceerd veld zien, terwijl de sector aan de linkerkant wordt verlicht. Het aanpassingsmechanisme treedt nu in werking, aangezien u wilt dat de twee velden dezelfde grootte hebben.

Hiervoor is er een steunmarkering op het oculair, die varieert naargelang het ontwerp, maar het kan een kruis zijn of een ander type signaal, dat dient om de velden te centreren.

Door de twee velden even groot te maken, kan de kritische hoek of limiethoek worden gemeten, dit is de hoek waaronder de doorgelaten straal zou passeren langs het oppervlak dat de media scheidt (zie figuur 4).

Als u deze hoek kent, kan de brekingsindex van het monster direct worden berekend door die van het prisma te nemen. Laten we dit hieronder in meer detail bekijken.

De kritische hoek

In de volgende afbeelding zien we dat de kritische hoek θ _c de hoek is waarbij de straal net over het grensvlak reist.

Als de hoek verder wordt vergroot, bereikt de straal niet de middelste 2, maar wordt deze gereflecteerd en gaat door in de middelste 1. De wet van Snell zou in dit geval zijn: sin θ ₂ = sin 90º = 1, wat direct leidt naar de brekingsindex in het medium 2:

Figuur 4. Kritische hoek. Bron: F. Zapata.

Welnu, de kritische hoek wordt precies verkregen door de grootte van de velden van licht en schaduw die door het oculair worden gezien gelijk te stellen, waardoor ook een schaalverdeling wordt waargenomen.

De schaal is meestal gekalibreerd voor directe aflezing van de brekingsindex, dus afhankelijk van het refractometermodel zal de operator iets zien dat lijkt op wat wordt waargenomen in de volgende afbeelding:

Figuur 5. De schaal van een refractometer is gekalibreerd om de brekingsindex direct weer te geven. Bron: refractometrie. Oregon State University.

De bovenste schaal geeft met behulp van de verticale lijn de hoofdmaat aan: 1.460, terwijl de onderste schaal 0.00068 aangeeft. Bij het optellen is de brekingsindex 1,46068.

Belang van golflengte

Het licht dat op het verlichtingsprisma valt, zal van richting veranderen. Maar aangezien het een elektromagnetische golf is, hangt de verandering af van λ, de lengte van de invallende golf.

Omdat wit licht alle golflengten bevat, wordt elk licht in een andere mate gebroken. Om deze menging te vermijden die resulteert in een wazig beeld, moet het licht dat wordt gebruikt in een refractometer met hoge resolutie een unieke en bekende golflengte hebben. De meest gebruikte is de zogenaamde natrium D-lijn, waarvan de golflengte 589,6 nm is.

In gevallen waar teveel precisie niet vereist is, is natuurlijk licht voldoende, zelfs als het een mengsel van golflengten bevat. Om de grens tussen licht en donker in het beeld echter niet te laten vervagen, voegen sommige modellen Amici's compenserende prisma's toe.

Voor-en nadelen

Refractometrie is een snelle, goedkope en betrouwbare techniek om de zuiverheid van een stof te kennen en wordt daarom veel gebruikt in de chemie, bioanalyse en levensmiddelentechnologie.

Maar aangezien er verschillende stoffen zijn met dezelfde brekingsindex, is het noodzakelijk om te weten welke wordt geanalyseerd. Het is bijvoorbeeld bekend dat cyclohexaan en sommige suikerhoudende oplossingen dezelfde brekingsindex hebben bij een temperatuur van 20 ° C.

Aan de andere kant is de brekingsindex in hoge mate afhankelijk van de temperatuur, zoals hierboven vermeld, naast de druk en concentratie van de brekingsoplossing. Al deze parameters moeten zorgvuldig worden bewaakt wanneer metingen met hoge precisie vereist zijn.

Wat betreft het type refractometer dat moet worden gebruikt, dit hangt sterk af van de toepassing waarvoor deze is bedoeld. Hier zijn enkele kenmerken van de belangrijkste typen:

Handmatige Abbe Refractometer

-Het is een betrouwbaar en onderhoudsarm instrument.

-Ze zijn meestal goedkoop.

- Zeer geschikt om vertrouwd te raken met de fundamentele principes van refractometrie.

- Zorg ervoor dat u geen krassen maakt op het oppervlak van het prisma dat in contact komt met het monster.

- Moet na elk gebruik worden schoongemaakt, maar kan niet met papier of ruwe materialen.

-De refractometeroperator moet een opleiding hebben genoten.

-Elke meting moet met de hand worden geregistreerd.

-Ze worden meestal geleverd met een weegschaal die speciaal is gekalibreerd voor een bepaald aantal stoffen.

-Ze moeten worden gekalibreerd.

-Het waterbadtemperatuurregelsysteem kan omslachtig in gebruik zijn.

Digitale refractometers

-Ze zijn gemakkelijk af te lezen, aangezien de meting direct op een scherm verschijnt.

-Ze gebruiken optische sensoren voor zeer nauwkeurige metingen.

-Ze hebben de mogelijkheid om de verkregen gegevens op te slaan, te exporteren en op elk moment te raadplegen.

-Ze zijn uiterst nauwkeurig, zelfs voor stoffen waarvan de brekingsindex moeilijk te meten is.

-Het is mogelijk om verschillende schalen te programmeren.

-Vereist geen temperatuuraanpassing met water.

-Sommige modellen bevatten bijvoorbeeld dichtheidsmetingen, of kunnen worden aangesloten op dichtheidsmeters, pH-meters en andere, om tijd te besparen en gelijktijdige metingen te verkrijgen.

-Het is niet nodig om ze opnieuw te kalibreren, maar controleer van tijd tot tijd of ze goed werken door de brekingsindex van bekende stoffen te meten, zoals bijvoorbeeld gedestilleerd water.

-Ze zijn duurder dan handmatige refractometers.

Toepassingen

Het kennen van de brekingsindex van een monster geeft de mate van zuiverheid aan, daarom wordt de techniek veel gebruikt in de voedingsindustrie:

-Bij de kwaliteitscontrole van de oliën, om hun zuiverheid te bepalen. Door refractometrie is het bijvoorbeeld mogelijk om te weten of zonnebloemolie is verlaagd door andere oliën van mindere kwaliteit toe te voegen.

Figuur 6. Levensmiddelentechnologielaboratorium. Bron: Piqsels.

-Het wordt gebruikt in de voedingsindustrie om het suikergehalte te kennen in suikerhoudende dranken, jam, melk en zijn derivaten en verschillende sauzen.

-Ze zijn ook nodig bij de kwaliteitscontrole van wijnen en bieren, om het suikergehalte en het alcoholgehalte te bepalen.

-In de chemische en farmaceutische industrie voor de kwaliteitscontrole van siropen, parfums, detergenten en allerhande emulsies.

-Ze kunnen de concentratie ureum - een verspilling van eiwitmetabolisme - in het bloed meten.

Referenties

1. Chemistry Lab Techniques. Refractometrie. Hersteld van: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refractometry. Hersteld van: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Vergelijking van verschillende technieken voor het meten van dichtheid en refractometrie. Hersteld van: mt.com.
4. Net InterLab. Wat is een refractometer en waar dient hij voor? Hersteld van: net-interlab.es.
5. Oregon State University. Principes van refractometrie. Hersteld van: sites.science.oregonstate.edu.