РЕФРАКТОМЕТРИЯ: ОБОСНОВАНИЕ, ТИПЫ РЕФРАКТОМЕТРОВ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Рефрактометр представляет собой метод оптического анализа веществ , который измеряет показатель преломления вещества , чтобы определить его основные особенности. Он основан на том факте, что свет, переходя из одной среды в другую, претерпевает изменение направления, которое зависит от природы этих сред.

Скорость света в вакууме c = 300 000 км / с, а в воде, например, она уменьшается до v = 225 000 км / с. Показатель преломления n точно определяется как отношение c / v.

Рисунок 1. Рефрактометр, используемый для измерения содержания сахара в фруктах. Источник: Wikimedia Commons.

Предположим, что свет определенной длины волны падает под заданным углом на поверхность, которая ограничивает два разных материала. Тогда направление луча изменится, потому что каждая среда имеет свой показатель преломления.

Как рассчитать показатель преломления

Закон Снеллиуса связывает показатель преломления между двумя средами 1 и 2 как:

Здесь n ₁ - показатель преломления в среде 1, θ ₁ - угол падения луча на граничную поверхность, n ₂ - показатель преломления в среде 2 и θ ₂ - угол преломления, в каком направлении переданный луч продолжается.

Рисунок 2. Луч света, падающий на две разные среды. Источник: Wikimedia Commons.

Показатель преломления материалов постоянен и известен при определенных физических условиях. С его помощью можно рассчитать показатель преломления другой среды.

Например, если свет проходит через стеклянную призму с индексом n _1, а затем через вещество, индекс которого мы хотим узнать, тщательно измеряя угол падения и угол преломления, мы получаем:

Типы рефрактометров

Рефрактометр - это прибор, который измеряет показатель преломления жидкости или твердого тела с плоскими и гладкими поверхностями. Есть два типа рефрактометров:

-Оптико-ручного типа, как у рефрактометра Аббе.

-Цифровые рефрактометры.

- Оптико-ручного типа типа рефрактометра Аббе

Рефрактометр Аббе был изобретен в 19 веке Эрнстом Аббе (1840–1905), немецким физиком, внесшим значительный вклад в развитие оптики и термодинамики. Этот тип рефрактометра широко используется в пищевой промышленности и учебных лабораториях и в основном состоит из:

-Лампа как источник света, обычно пара натрия, длина волны которого известна. Существуют модели, которые используют обычный белый свет, содержащий все видимые длины волн, но в них есть встроенные призмы, называемые призмами Амичи, которые устраняют нежелательные длины волн.

-Освещающая призма и другая преломляющая призма, между которыми помещается образец, показатель которого должен быть измерен.

-Термометр, так как показатель преломления зависит от температуры.

-Механизмы регулировки изображения.

-Окуляр, через который наблюдатель проводит измерения.

Расположение этих основных частей может различаться в зависимости от конструкции (см. Рисунок 3 слева). Далее мы увидим принципы работы.

Рис. 3. Слева рефрактометр Аббе, а справа - основная рабочая диаграмма. Источник: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Как работает рефрактометр Аббе

Процедура заключается в следующем: образец помещается между рефракционной призмой, которая фиксируется, и осветительной призмой, закрепляемой.

Призма преломления хорошо отполирована и имеет высокий показатель преломления, в то время как призма освещения матовая и шероховатая на контактной поверхности. Таким образом, когда лампа включена, свет излучается на образец во всех направлениях.

Луч AB на рисунке 3 имеет максимально возможное отклонение, поэтому справа от точки C наблюдатель увидит заштрихованное поле, а сектор слева будет освещен. Теперь вступает в действие механизм настройки, поскольку вы хотите, чтобы два поля имели одинаковый размер.

Для этого на окуляре есть вспомогательная метка, которая может быть разной в зависимости от конструкции, но это может быть крест или другой тип сигнала, служащий для центрирования поля.

Сделав два поля одинакового размера, можно измерить критический угол или предельный угол, который представляет собой угол, под которым проходящий луч пройдет, касаясь поверхности, разделяющей среду (см. Рисунок 4).

Знание этого угла позволяет напрямую рассчитать показатель преломления образца, взяв показатель преломления призмы. Давайте рассмотрим это подробнее ниже.

Критический угол

На следующем рисунке мы видим, что критический угол θ _c - это угол, под которым луч проходит прямо над граничной поверхностью.

При дальнейшем увеличении угла луч не достигает середины 2, а отражается и продолжается в середине 1. Закон Снеллиуса, применяемый к этому случаю, будет следующим: sin θ ₂ = sin 90º = 1, что ведет прямо к показателю преломления в среде 2:

Рисунок 4. Критический угол. Источник: Ф. Сапата.

Что ж, критический угол получается точно, если уравнять размеры полей света и тени, которые видны через окуляр, через который также наблюдается градуированная шкала.

Шкала обычно откалибрована для прямого считывания показателя преломления, поэтому в зависимости от модели рефрактометра оператор увидит нечто похожее на то, что наблюдается на следующем изображении:

Рис. 5. Шкала рефрактометра откалибрована для непосредственного определения показателя преломления. Источник: Рефрактометрия. Государственный университет Орегона.

Верхняя шкала с помощью вертикальной линии показывает основное измерение: 1,460, а нижняя шкала показывает 0,00068. При сложении показатель преломления 1,46068.

Важность длины волны

Свет, падающий на призму освещения, изменит свое направление. Но поскольку это электромагнитная волна, изменение будет зависеть от λ, длины падающей волны.

Поскольку белый свет содержит волны всех длин, каждая из них преломляется в разной степени. Чтобы избежать этого смешивания, которое приводит к нечеткому изображению, свет, используемый в рефрактометре высокого разрешения, должен иметь уникальную и известную длину волны. Чаще всего используется так называемая D-линия натрия, длина волны которой составляет 589,6 нм.

В случаях, когда не требуется слишком большой точности, достаточно естественного света, даже если он содержит волны разных длин. Однако, чтобы избежать размытия границы между светлым и темным на изображении, некоторые модели добавляют компенсирующие призмы Amici.

Преимущества и недостатки

Рефрактометрия - это быстрый, недорогой и надежный метод определения чистоты вещества, поэтому он широко используется в химии, биоанализе и пищевых технологиях.

Но поскольку существуют разные вещества с одинаковым показателем преломления, необходимо знать, какое из них анализируется. Например, известно, что циклогексан и некоторые растворы сахаров имеют одинаковый показатель преломления при температуре 20 ° C.

С другой стороны, показатель преломления сильно зависит от температуры, как упоминалось выше, в дополнение к давлению и концентрации рефракционного раствора. Все эти параметры необходимо тщательно контролировать, когда требуются высокоточные измерения.

Что касается типа используемого рефрактометра, он во многом зависит от области применения, для которой он предназначен. Вот некоторые характеристики основных типов:

Ручной рефрактометр Аббе

-Это надежный инструмент, не требующий особого ухода.

-Они обычно дешевые.

-Очень уместно познакомиться с основами рефрактометрии.

- Следует соблюдать осторожность, чтобы не поцарапать поверхность призмы, контактирующую с образцом.

- Необходимо очищать после каждого использования, но нельзя делать с бумагой или грубыми материалами.

- Оператор рефрактометра должен пройти обучение.

-Каждое измерение необходимо регистрировать вручную.

-Обычно они поставляются со шкалами, откалиброванными специально для определенного диапазона веществ.

-Они требуют калибровки.

-Система контроля температуры водяной бани может быть неудобной в использовании.

Цифровые рефрактометры

-Они легко читаются, поскольку результат измерения отображается прямо на экране.

-Они используют оптические датчики для высокой точности показаний.

-Они имеют возможность хранить и экспортировать полученные данные и иметь возможность обращаться к ним в любое время.

-Они очень точны даже для веществ, показатель преломления которых трудно измерить.

-Можно программировать разные масштабы.

-Не требует регулировки температуры водой.

-Некоторые модели включают, например, измерения плотности или могут быть подключены к измерителям плотности, pH-метрам и другим устройствам для экономии времени и получения одновременных измерений.

- Нет необходимости повторно калибровать их, но время от времени проверяйте, что они работают должным образом, измеряя показатель преломления хорошо известных веществ, таких как, например, дистиллированная вода.

-Они дороже ручных рефрактометров.

Приложения

Знание показателя преломления образца указывает на его степень чистоты, поэтому этот метод широко используется в пищевой промышленности:

-В контроле качества масел, чтобы определить их чистоту. Например, с помощью рефрактометрии можно узнать, было ли понижено содержание подсолнечного масла путем добавления других масел более низкого качества.

Рисунок 6. Лаборатория пищевых технологий. Источник: Piqsels.

-Он используется в пищевой промышленности для определения содержания сахара в сладких напитках, джемах, молоке и его производных, а также в различных соусах.

-Они также необходимы при контроле качества вин и пива, для определения содержания сахара и алкоголя.

-В химической и фармацевтической промышленности для контроля качества сиропов, парфюмерии, моющих средств и всех видов эмульсий.

-Они могут измерить концентрацию мочевины - отходов белкового обмена - в крови.

Ссылки

1. Методы химической лаборатории. Рефрактометрия. Восстановлено с: 2.ups.edu.
2. Гавира, Дж. Рефрактометрия. Получено с: triplenlace.com
3. Меттлер-Толедо. Сравнение различных методик измерения плотности и рефрактометрии. Получено с: mt.com.
4. Net InterLab. Что такое рефрактометр и для чего он нужен? Получено с: net-interlab.es.
5. Государственный университет Орегона. Принципы рефрактометрии. Получено с: sites.science.oregonstate.edu.