РЕФРАКТОМЕТРИЯ: ОБОСНОВКА, ВИДОВЕ РЕФРАКТОМЕТРИ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В рефрактометър е метод за оптичен анализ на вещества, който измерва коефициента на пречупване на вещество за определяне на основните му характеристики. Тя се основава на факта, че светлината, преминавайки от една среда в друга, претърпява промяна на посоката, която зависи от естеството на тези среди.

Скоростта на светлината във вакуум е c = 300 000 km / s, но във вода например, тя намалява до v = 225 000 km / s. Показателят на пречупване n е точно определен като съотношение c / v.

Фигура 1. Рефрактометър, използван за измерване на съдържанието на захар в плодовете. Източник: Wikimedia Commons.

Да предположим, че светлината с определена дължина на вълната пада под предварително определен ъгъл върху повърхността, който ограничава два различни материала. Тогава посоката на лъча ще се промени, защото всяка среда има различен индекс на пречупване.

Как се изчислява индексът на пречупване

Законът на Снел свързва индекса на пречупване между две среди 1 и 2 като:

Тук n ₁ е индексът на пречупване в среда 1, θ ₁ е ъгълът на падене на лъча върху граничната повърхност, n ₂ е индексът на пречупване в среда 2 и θ ₂ е ъгълът на пречупване, в която посока предаваният лъч продължава.

Фигура 2. Лъч на светлината, поразяваща две различни среди. Източник: Wikimedia Commons.

Индексът на пречупване на материалите е постоянен и се познава при определени физически условия. С това може да се изчисли коефициентът на пречупване на друга среда.

Например, ако светлината преминава през стъклена призма, чийто индекс е n ₁ и след това през веществото, чийто индекс искаме да знаем, внимателно измервайки ъгъла на падене и ъгъла на пречупване, получаваме:

Видове рефрактометри

Рефрактометърът е инструмент, който измерва показателя на пречупване на течност или твърдо вещество с плоски и гладки лица. Има два вида рефрактометри:

-Оптично-ръчен тип като рефрактометъра Abbe.

-Дигитални рефрактометри.

- Оптично-ръчен тип като рефрактометър на Abbe

Рефрактометърът Abbe е изобретен през 19 век от Ернст Абат (1840-1905), немски физик, допринесъл значително за развитието на оптиката и термодинамиката. Този тип рефрактометър се използва широко в хранително-вкусовата промишленост и в учебните лаборатории и основно се състои от:

-Лампа като източник на светлина, обикновено натриеви пари, чиято дължина на вълната е известна. Има модели, които използват нормална бяла светлина, която съдържа всички видими дължини на вълната, но те имат вградени призми, наречени Amici призми, които премахват нежеланите дължини на вълната.

- Осветителна призма и друга пречупваща призма, между която се поставя пробата, чийто индекс трябва да бъде измерен.

-Термометър, тъй като показателят на пречупване зависи от температурата.

-Механизми за настройка на изображението.

-Окулярът, чрез който наблюдателят извършва измерването.

Подреждането на тези основни части може да варира в зависимост от дизайна (вижте фигура 3 вляво). След това ще видим принципите на работа.

Фигура 3. Вляво рефрактометър на Abbe, а отдясно основна работна схема. Източник: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Как работи рефрактометърът на Abbe

Процедурата е следната: пробата се поставя между пречупващата призма - която е фиксирана - и осветителната призма - мазнина.

Пречупващата призма е силно полирана и показателят на пречупване е висок, докато осветителната призма е матова и грапава по контактната повърхност. По този начин, когато лампата е включена, светлината се излъчва във всички посоки на пробата.

Лъч AB на фигура 3 е този с възможно най-голямо отклонение, така че вдясно от точка С наблюдател ще види засенчено поле, докато секторът вляво ще бъде осветен. Механизмът за настройка влиза в действие сега, тъй като това, което искате е да направите двете полета да имат еднакъв размер.

За това върху окуляра има маркировка за помощ, която варира в зависимост от дизайна, но може да бъде кръст или друг тип сигнал, който служи за центриране на полетата.

Като направим двете полета еднакъв размер, може да се измери критичният или граничен ъгъл, който е ъгълът, под който предаваният лъч би преминал, пасящ повърхността, която разделя средата (виж фигура 4).

Познаването на този ъгъл позволява директно да се изчисли коефициентът на пречупване на пробата, като се вземе този на призмата. Нека да разгледаме това по-подробно по-долу.

Критичният ъгъл

На следващата фигура виждаме, че критичният ъгъл θ _c е този, при който лъчът преминава точно над граничната повърхност.

Ако ъгълът се увеличи допълнително, лъчът не достига до средата 2, но се отразява и продължава в средата 1. Законът на Snell, приложен към този случай, би бил: sin θ ₂ = sin 90º = 1, което води директно до показателя на пречупване в средата 2:

Фигура 4. Критичен ъгъл. Източник: Ф. Сапата.

Е, критичният ъгъл се получава точно чрез приравняване на размера на полетата от светлина и сянка, които се виждат през окуляра, през които също се наблюдава градуирана скала.

Скалата обикновено се калибрира за директно отчитане на показателя на пречупване, така че в зависимост от модела на рефрактометър, операторът ще види нещо подобно на това, което се наблюдава на следното изображение:

Фигура 5. Скалата на рефрактометър се калибрира, за да даде директно показателя на пречупване. Източник: Рефрактометрия. Държавен университет в Орегон.

Горната скала с помощта на вертикалната линия показва основното измерване: 1.460, докато долната скала показва 0.00068. При добавяне коефициентът на пречупване е 1.46068.

Значение на дължината на вълната

Светлината, която пада върху осветителната призма, ще промени посоката си. Но тъй като това е електромагнитна вълна, промяната ще зависи от λ, дължината на падащата вълна.

Тъй като бялата светлина съдържа всички дължини на вълната, всяка от тях се пречупва в различна степен. За да се избегне това смесване, което води до размито изображение, използваната в рефрактометър с висока резолюция светлина трябва да има уникална и известна дължина на вълната. Най-използваната е така наречената натриева линия D, чиято дължина на вълната е 589,6 nm.

В случаите, когато не се изисква твърде голяма точност, естествената светлина е достатъчна, дори ако съдържа смес от дължини на вълните. Въпреки това, за да не замъглявате ръба между светло и тъмно в изображението, някои модели добавят компенсиращи призми на Amici.

Предимства и недостатъци

Рефрактометрията е бърза, евтина и надеждна техника за познаване на чистотата на дадено вещество, поради което се използва широко в химията, биоанализата и хранителните технологии.

Но тъй като има различни вещества с един и същ показател на пречупване, е необходимо да се знае кое от тях се анализира. Например, циклохексанът и някои захарни разтвори имат един и същ показател на пречупване при температура 20 ° С.

От друга страна, показателят на пречупване силно зависи от температурата, както беше споменато по-горе, в допълнение към налягането и концентрацията на пречупващия разтвор. Всички тези параметри трябва да бъдат внимателно наблюдавани, когато се изискват измервания с висока точност.

Що се отнася до вида на рефрактометъра, който ще използвате, той зависи много от приложението, за което е предназначен. Ето някои характеристики на основните типове:

Ръчен рефрактометър

-Той е надежден и ниско поддържащ инструмент.

-Обикновено те са евтини.

-Много подходящо да се запознаете с основните принципи на рефрактометрията.

- Трябва да се внимава да не се надраска повърхността на призмата в контакт с пробата.

-Почиства се след всяка употреба, но не може да се направи с хартия или груби материали.

-Операторът на рефрактометър трябва да има обучение.

-Всяко измерване трябва да се регистрира на ръка.

-Обикновено се предлагат с везни, калибрирани специално за определен диапазон от вещества.

-Те трябва да бъдат калибрирани.

-Системата за регулиране на температурата на водна баня може да бъде неудобна за използване.

Цифрови рефрактометри

-Лесни са за четене, тъй като измерването се появява директно на екрана.

-Използват оптични сензори за отчитане с висока точност.

-Те имат възможност да съхраняват и експортират получените данни и да могат да ги консултират по всяко време.

-Те са изключително точни, дори за вещества, чийто индекс на пречупване е трудно да се измери.

-Възможно е да се програмират различни мащаби.

-Не се нуждаят от регулиране на температурата с вода.

-Някои модели включват измервания на плътността, например, или могат да бъдат свързани с измерватели на плътност, pH-метри и други, за да спестят време и да получат едновременни измервания.

-Не е необходимо да ги калибрирате, но проверявайте от време на време дали работят правилно, измервайки показателя на пречупване на добре известни вещества, като например дестилирана вода.

-Те са по-скъпи от ръчните рефрактометри.

Приложения

Познаването на показателя на пречупване на пробата показва степента на нейната чистота, поради което техниката е широко използвана в хранителната промишленост:

-В контрола на качеството на маслата, за да се определи тяхната чистота. Например, чрез рефрактометрия е възможно да се разбере дали слънчогледовото масло е понижено чрез добавяне на други масла с по-ниско качество.

Фигура 6. Лаборатория по хранителни технологии. Източник: Piqsels.

-Използва се в хранително-вкусовата промишленост, за да знае съдържанието на захар в захарни напитки, конфитюри, мляко и неговите производни и различни сосове.

-Те са необходими и при контрола на качеството на вината и бирата, за да се определи съдържанието на захар и алкохол.

-В химическата и фармацевтичната индустрия за контрол на качеството на сиропи, парфюми, почистващи препарати и всякакви емулсии.

-Те могат да измерват концентрацията на урея - отпадък от протеиновия метаболизъм - в кръвта.

Препратки

1. Техники на химическата лаборатория. РЕФРАКТОМЕТЪР. Възстановена от: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Рефрактометрия. Възстановена от: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Сравнение на различни техники за измерване на плътност и рефрактометрия. Възстановени от: mt.com.
4. Нет InterLab. Какво е рефрактометър и за какво е? Възстановени от: net-interlab.es.
5. Държавен университет в Орегон. Принципи на рефрактометрията. Възстановени от: sites.science.oregonstate.edu.