РЕФРАКТОМЕТРІЯ: ОБГРУНТУВАННЯ, ТИПИ РЕФРАКТОМЕТРІВ, ЗАСТОСУВАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Рефрактометр є метод оптичного аналізу речовин , який вимірює показник заломлення речовини , щоб визначити його основні особливості. Він заснований на тому, що світло, переходячи від одного середовища до іншого, зазнає зміни напрямку, що залежить від характеру цих середовищ.

Швидкість світла у вакуумі c = 300 000 км / с, але у воді, наприклад, вона зменшується до v = 225 000 км / с. Показник заломлення n точно визначається як відношення c / v.

Малюнок 1. Рефрактометр, що використовується для вимірювання вмісту цукру в фруктах. Джерело: Wikimedia Commons.

Припустимо, що світло певної довжини хвилі падає під заданим кутом на поверхні, що обмежує два різні матеріали. Тоді напрямок променя зміниться, тому що кожне середовище має різний показник заломлення.

Як обчислити показник заломлення

Закон Снелла пов'язує індекс заломлення між двома середовищами 1 і 2 як:

Тут n ₁ - показник заломлення в середовищі 1, θ ₁ - кут падіння променя на граничну поверхню, n ₂ - показник заломлення в середовищі 2, а θ ₂ - кут заломлення, в якому напрямку переданий промінь продовжується.

Малюнок 2. Промінь світла, що вражає два різних середовища. Джерело: Wikimedia Commons.

Показник заломлення матеріалів постійний і відомий при певних фізичних умовах. За допомогою цього можна обчислити показник заломлення іншого середовища.

Наприклад, якщо світло проходить через скляну призму, показник якої n _1, а потім через речовину, індекс якої ми хочемо знати, ретельно вимірюючи кут падіння і кут заломлення, ми отримуємо:

Види рефрактометрів

Рефрактометр - це прилад, який вимірює показник заломлення рідини або твердої речовини з плоскими і гладкими гранями. Існує два типи рефрактометрів:

-Оптично-ручний тип типу рефрактометра Abbe.

-Дігітальні рефрактометри.

- Оптично-ручний тип типу рефрактометра Abbe

Рефрактометр Абба був винайдений у 19 столітті Ернстом Аббе (1840-1905), німецьким фізиком, який зробив значний внесок у розвиток оптики та термодинаміки. Цей тип рефрактометра широко застосовується в харчовій промисловості та навчальних лабораторіях і в основному складається з:

-Лампа як джерело світла, як правило, пари натрію, довжина хвилі якої відома. Існують моделі, які використовують звичайне біле світло, яке містить усі видимі довжини хвилі, але вони мають вбудовані призми під назвою Amici призми, які усувають небажану довжину хвилі.

-Засвітлювальна призма та інша заломлююча призма, між якими розміщується зразок, показник якого слід виміряти.

-Термометр, оскільки показник заломлення залежить від температури.

-Механізми налаштування зображення.

-Окуляр, за допомогою якого спостерігач здійснює вимірювання.

Розташування цих основних деталей може змінюватися залежно від конструкції (див. Рисунок 3 зліва). Далі ми побачимо принципи роботи.

Малюнок 3. Ліворуч рефрактометр Абба, а праворуч основна схема роботи. Джерело: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Як працює рефрактометр Abbe

Процедура полягає в наступному: зразок поміщається між призмою заломлення - яка фіксована -, і освітлювальною призмою - жировою.

Заломлювальна призма сильно відполірована і її показник заломлення високий, а освітлювальна призма матова і шорстка на контактній поверхні. Таким чином, при включенні лампи світло випромінюється у всіх напрямках на зразку.

Промінь AB на рисунку 3 - це найбільше можливе відхилення, тому праворуч від точки C спостерігач побачить затінене поле, тоді як сектор ліворуч буде освітлений. Механізм налаштування вступає в дію зараз, оскільки ви хочете, щоб ці два поля були однакового розміру.

Для цього на окулярі є допоміжний знак, який змінюється в залежності від конструкції, але це може бути хрестик або інший тип сигналу, який служить для центрування полів.

Зробивши два поля однакового розміру, можна виміряти критичний кут або граничний кут, який є кутом, під яким переданий промінь пройшов би, пасучи поверхню, що розділяє носій (див. Рисунок 4).

Знання цього кута дозволяє безпосередньо обчислити показник заломлення зразка, взявши коефіцієнт призми. Розглянемо це детальніше нижче.

Критичний кут

На наступному малюнку ми бачимо, що критичний кут θ _c - це той, під яким промінь проходить трохи більше граничної поверхні.

Якщо кут збільшується далі, промінь не досягає середини 2, але відбивається і продовжується в середині 1. Закон Снелла, застосований до цього випадку, буде: sin θ ₂ = sin 90º = 1, що веде безпосередньо до показника заломлення в середовищі 2:

Малюнок 4. Критичний кут. Джерело: Ф. Сапата.

Ну а критичний кут отримують саме шляхом прирівнювання розмірів полів світла і тіні, які видно через окуляр, через які також спостерігається градуйована шкала.

Шкала зазвичай калібрується для прямого зчитування показника заломлення, тому залежно від моделі рефрактометра, оператор побачить щось подібне до того, що спостерігається на наступному зображенні:

Малюнок 5. Шкала рефрактометра відкалібрована для прямого показника заломлення. Джерело: Рефрактометрія. Орегонський державний університет.

Верхня шкала за допомогою вертикальної лінії вказує на основне вимірювання: 1,460, тоді як на нижній шкалі 0,00068. При додаванні показник заломлення становить 1,46068.

Важливість довжини хвилі

Світло, яке потрапляє на призму освітлення, змінить свій напрямок. Але оскільки це електромагнітна хвиля, зміна буде залежати від λ, довжини падаючої хвилі.

Оскільки біле світло містить усі довжини хвиль, кожна з них заломлюється в різній мірі. Щоб уникнути цього змішування, що призводить до нечіткого зображення, світло, що використовується в рефрактометрі високої роздільної здатності, повинен мати унікальну і відому довжину хвилі. Найбільш використовуваною є так звана лінія натрію D, довжина хвилі якої становить 589,6 нм.

У випадках, коли занадто велика точність не потрібна, природного світла достатньо, навіть якщо воно містить суміш довжин хвиль. Однак, щоб уникнути розмивання краю між світлим і темним на зображенні, деякі моделі додають компенсуючі призми Amici.

Переваги і недоліки

Рефрактометрія - це швидка, недорога і надійна методика пізнання чистоти речовини, саме тому її широко використовують у хімії, біоаналізі та харчовій технології.

Але оскільки існують різні речовини з однаковим показником заломлення, необхідно знати, яку з них аналізують. Наприклад, як відомо, циклогексан та деякі цукристі розчини мають однаковий показник заломлення при температурі 20 ° С.

З іншого боку, показник заломлення сильно залежить від температури, як було сказано вище, крім тиску та концентрації заломлюючого розчину. Усі ці параметри необхідно ретельно контролювати, коли потрібні високі точні вимірювання.

Що стосується типу рефрактометра, який потрібно використовувати, то він багато залежить від застосування, для якого він призначений. Ось деякі характеристики основних типів:

Ручний рефрактометр

-Це надійний інструмент з низьким обслуговуванням.

-Зазвичай вони дешеві.

- Дуже доречно ознайомитись з основними принципами рефрактометрії.

- Слід бути обережним, щоб не подряпати поверхню призми, що контактує з зразком.

-Потрібно чистити після кожного використання, але не можна робити з папером або шорсткими матеріалами.

-Оператор рефрактометра повинен пройти навчання.

-Кожне вимірювання повинно бути зареєстроване вручну.

-Зазвичай вони мають шкали, калібровані спеціально для певного кола речовин.

-Ви повинні бути калібровані.

- Система контролю температури водяної бані може бути громіздкою у використанні.

Цифрові рефрактометри

- Їх легко читати, оскільки вимірювання відображається безпосередньо на екрані.

-Використовують оптичні датчики для високоточних показань.

-У них є можливість зберігати та експортувати отримані дані та мати змогу в будь-який час звертатися до них.

-Вони надзвичайно точні, навіть для речовин, показник заломлення яких важко виміряти.

-Можна програмувати різні масштаби.

-Не потребує регулювання температури водою.

- Деякі моделі включають вимірювання щільності, наприклад, або їх можна підключити до вимірювачів щільності, pH метрів та інших, щоб заощадити час і отримати одночасні вимірювання.

-Не потрібно повторно їх калібрувати, але час від часу перевіряйте, що вони працюють належним чином, вимірюючи показник заломлення відомих речовин, наприклад, наприклад, дистильованої води.

- Вони дорожчі, ніж ручні рефрактометри.

Програми

Знання показника заломлення зразка вказує на ступінь його чистоти, саме тому методика широко використовується в харчовій промисловості:

-У контролі якості олив для визначення їх чистоти. Наприклад, за допомогою рефрактометрії можна дізнатись, чи було соняшникова олія знижена, додаючи інші масла нижчої якості.

Рисунок 6. Лабораторія харчових технологій. Джерело: Piqsels.

-Використовується в харчовій промисловості, щоб знати вміст цукру в цукристих напоях, джемах, молоці та його похідних та різних соусах.

- Вони також необхідні в контролі якості вин і пива, щоб визначити вміст цукру та вміст алкоголю.

-У хімічній та фармацевтичній промисловості для контролю якості сиропів, парфумів, миючих засобів та всіляких емульсій.

-Ми можуть виміряти концентрацію сечовини - відходів білкового обміну - у крові.

Список літератури

1. Методи хімічної лабораторії. Рефрактометрія. Відновлено з: 2.ups.edu.
2. Гавіра, Ж. Рефрактометрія. Відновлено з: triplenlace.com
3. Меттлер-Толедо. Порівняння різних методик вимірювання щільності та рефрактометрії. Відновлено з: mt.com.
4. Чистий InterLab. Що таке рефрактометр і для чого він призначений? Відновлено з: net-interlab.es.
5. Орегонський державний університет. Принципи рефрактометрії. Відновлено з: sites.science.oregonstate.edu.