Réfractométrie de fondation, types de réfracteurs, applications

La Réfractométrie Il s'agit d'une méthode d'analyse de substances optiques qui mesure l'indice de réfraction d'une substance pour déterminer ses principales caractéristiques. Il est basé sur le fait que la lumière, en passant d'un milieu à l'autre, subit un changement de direction qui dépend de la nature de ces moyens.

La vitesse de la lumière dans le vide est C = 300.000 km / s, mais dans l'eau, par exemple, il diminue à V = 225.000 km / s. L'indice de réfraction n Il est défini précisément comme le quotient CV.

Figure 1. Réfractomètre utilisé pour mesurer la teneur en sucre en fruits. Source: Wikimedia Commons.

Supposons que la lumière d'une certaine longueur d'onde affecte un angle prédéterminé sur la surface qui limite deux matériaux différents. Alors la direction de la foudre changera, car chaque support a un indice de réfraction différent.

[TOC]

Comment calculer l'indice de réfraction

La loi de Snell relie l'indice de réfraction entre deux médias 1 et 2 comme:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Ici n₁ C'est l'indice de réfraction dans le milieu 1, θ₁ C'est l'angle d'incidence de l'éclair sur la surface limite, n₂ C'est l'indice de réfraction dans le milieu 2 et θ₂ C'est l'angle de réfraction, dans le sens duquel la foudre transmise continue.

Figure 2. Rayon léger affectant deux supports différents. Source: Wikimedia Commons.

L'indice de réfraction du matériau est constant et est connu dans certaines conditions physiques. Avec cela, vous pouvez calculer l'indice de réfraction d'un autre milieu.

Par exemple, si la lumière passe à travers un prisme de verre dont l'indice est n₁ Et puis à cause de la substance dont vous souhaitez connaître l'indice, mesurant soigneusement l'angle d'incidence et de réfraction, il est obtenu:

n₂ = (sin θ₁ / sin θ₂). n₁

Types de réfractomètres

Le réfractomètre est un instrument qui mesure l'indice de réfraction d'un liquide ou un solide avec des faces plates et lisses. Il existe deux types de réfracteurs:

-Type optique-manuel tel que le réfractomètre ABBE.

-Réfracteurs numériques.

- Type optique-manuel tel que le réfractomètre ABBE

Le réfractomètre d'Abbe a été inventé au XIXe siècle par Ernst Abbe (1840-1905), un physicien allemand qui a contribué de manière significative au développement de l'optique et de la thermodynamique. Ce type de réfractomètre est largement utilisé dans l'industrie de l'enseignement des aliments et des laboratoires et se compose essentiellement de:

-Une lampe comme source lumineuse, généralement de la vapeur de sodium, dont la longueur d'onde est connue. Il existe des modèles qui utilisent une lumière blanche normale, qui contient toutes les longueurs d'onde visibles, mais elles apportent des prismes appelés prismes Prismes amici, qui éliminent les longueurs d'onde indésirables.

Il peut vous servir: éléments chimiques naturels

-UN prime éclairage et autre Prisme de réfraction, parmi lequel l'échantillon est placé dont l'indice doit mesurer.

-Thermomètre, puisque l'indice de réfraction dépend de la température.

-Mécanismes d'ajustement d'image.

-L'oculaire, à travers lequel l'observateur effectue la mesure.

La disposition de ces pièces de base peut varier en fonction de la conception (voir la figure 3 à gauche). Nous verrons les principes d'opération.

figure 3. À gauche un réfractomètre ABBE et à droite, un schéma de fonctionnement de base. Source: Wikimedia Commons. 丰泽 一 号 [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]

ABBE RÉFRATTOME FORMATION

La procédure est la suivante: L'échantillon est placé entre le prisme de réfraction - qui est fixe - et le prisme d'éclairage - abatable-.

Le prisme de réfraction est très tiré et son indice de réfraction est élevé, tandis que l'éclairage est mat et rugueux sur la surface de contact. De cette façon, lorsque la lampe est éclairée, la lumière est émise dans toutes les directions de l'échantillon.

Ray AB de la figure 3 est celui qui a le plus grand écart possible, donc à droite du point C, un observateur verra un champ ombré, tandis que le secteur à gauche sera illuminé. Le mécanisme d'ajustement entre en action maintenant, car ce qui est recherché, c'est de faire les deux champs.

Pour cela, il y a une marque d'aide dans l'oculaire, qui varie selon la conception, mais il peut s'agir d'un type de signal croix ou autre, qui sert à concentrer les champs.

Lorsque les deux champs ont la même taille, l'angle critique ou l'angle de limite peut être mesuré, qui est l'angle dans lequel le rayon transmis accordera à travers la surface qui sépare le support (voir figure 4).

Connaître cet angle vous permet de calculer directement l'indice de réfraction de l'échantillon, ayant le prisme. Voyons cela plus en détail alors.

L'angle critique 

Dans la figure suivante, nous voyons que l'angle critique θ_c C'est celui dans lequel la foudre se déplace juste sur la surface limite.

Si l'angle est augmenté plus, le faisceau n'atteint pas le milieu 2, mais se reflète et continue dans le milieu 1. La loi de Snell appliquée à cette affaire serait: Sen θ₂ = Sen 90º = 1, ce qui mène directement à l'indice de réfraction dans le milieu 2:

n₂ = n₁ sin θ_c

Figure 4. Angle critique. Source: F. Zapata.

Eh bien, l'angle critique est obtenu juste égalisant la taille des lumières de la lumière et de l'ombre observées par l'oculaire, qui observe également une échelle graduée.

Peut vous servir: électron différentiel

L'échelle est généralement calibrée pour la lecture directe de l'indice de réfraction, donc, selon le modèle de réfractomètre, l'opérateur verra quelque chose de similaire à ce qui est observé dans l'image suivante:

Figure 5. L'échelle d'un réfractomètre est calibrée pour donner directement l'indice de réfraction. Source: réfractométrie. Université d'État de l'Oregon.

L'échelle supérieure, à l'aide de la ligne verticale, indique la mesure principale: 1.460, tandis que l'échelle inférieure montre 0.00068. Lorsque vous avez l'indice de réfraction 1.46068.

Importance de la longueur d'onde 

La lumière qui affecte le prisme d'éclairage changera sa direction. Mais comme c'est une onde électromagnétique, le changement dépendra de λ, la longueur de l'onde incidente.

Comme la lumière blanche contient toutes les longueurs d'onde, chacune est réfractée à une degré différent. Pour éviter ce mélange qui donne naissance à une image diffuse, la lumière utilisée dans un réfractomètre à haute résolution doit avoir une longueur d'onde unique et bien connue. Le plus utilisé est la ligne de sodium si appelée, dont la longueur d'onde est de 589,6 nm.

Dans les cas où il n'est pas trop précis, la lumière naturelle est suffisante, bien qu'elle contient un mélange de longueurs d'onde. Cependant, pour empêcher le bord entre la zone illuminée et la zone sombre de l'image, certains modèles ajoutent les prismes de compensation amic.

Avantages et inconvénients

La réfractométrie est une technique rapide, économique et fiable pour connaître la pureté d'une substance, il est donc très répandu en chimie, bioanalyse et technologie alimentaire.

Mais comme il existe différentes substances avec le même indice de réfraction, il est nécessaire de savoir lequel est analysé. Par exemple, il est connu que le cyclohexan et certaines solutions sucrées ont le même indice de réfraction à une température de 20 ºC.

D'un autre côté, l'indice de réfraction dépend en grande partie de la température, comme indiqué ci-dessus, en plus de la pression et de la concentration de la solution de réfraction. Tous ces paramètres doivent être soigneusement surveillés lorsque une grande précision dans les mesures est requise.

Quant au type de réfractomètre à utiliser, cela dépend beaucoup de l'application à laquelle il est prévu. Voici quelques caractéristiques des principaux types:

Réfractomètre ABBE manuel

-C'est un instrument fiable et à faible entretien.

-Ils sont généralement économiques.

Peut vous servir: analyte

-Très approprié pour familiariser les principes fondamentaux de la réfractométrie.

-Vous devez prendre soin de ne pas gratter la surface du prisme en contact avec l'échantillon.

-Vous devez nettoyer après chaque utilisation, mais cela ne peut pas être fait avec du papier ou des matériaux rugueux.

-L'opérateur de réfractomètre doit avoir une formation.

-Chaque mesure doit être enregistrée à la main.

-Ils viennent généralement avec des échelles calibrées spécifiquement pour une certaine gamme de substances.

-Ils doivent être calibrés.

-Le système de contrôle du bain-marie peut être lourd à utiliser.

Réfracteurs numériques

-Ils sont faciles à lire, car la mesure apparaît directement sur un écran.

-Ils utilisent des capteurs optiques pour des lectures de haute précision.

-Ils ont la possibilité de stocker et d'exporter les données obtenues et de les consulter à tout moment.

-Ils sont extrêmement précis, même pour les substances dont l'indice de réfraction est difficile à mesurer.

-Il est possible de programmer différentes échelles.

-Ils ne nécessitent pas de réglage de la température avec l'eau.

-Certains modèles intègrent des mesures de densité, par exemple, ou peuvent se connecter aux densits, aux pH-compteurs et à d'autres, pour gagner du temps et obtenir des mesures simultanées.

-Ce n'est pas nécessaire.

-Ils sont plus chers que les réfractomètres manuels.

Applications

Connaître l'indice de réfraction d'un échantillon indique le degré de pureté de cela, donc la technique est largement utilisée dans l'industrie alimentaire:

-Dans le contrôle de la qualité des huiles, pour déterminer leur pureté. Par exemple, par réfractométrie, il est possible de savoir si une huile de tournesol a été réduite en ajoutant d'autres huiles de moindre qualité.

Figure 6. Laboratoire de technologie alimentaire. Source: piqsels.

-Il est utilisé dans l'industrie alimentaire pour connaître la teneur en sucre dans les boissons sucrées, les confitures, le lait et leurs dérivés et diverses sauces.

-Ils sont également nécessaires dans le contrôle de la qualité des vins et des bières, pour déterminer la teneur en sucre et l'obtention du diplôme alcoolique.

-Dans l'industrie chimique et pharmaceutique pour le contrôle de la qualité des sirops, des parfums, des détergents et toutes sortes d'émulsions.

-Ils peuvent mesurer la concentration d'urée - un déchet du métabolisme des protéines - dans le sang.

Les références

1. Techniques de laboratoire de chimie. Réfractométrie. Récupéré de: 2.UPS.Édu.
2. Gavira, J. Réfractométrie. Récupéré de: triplenlace.com
3. Médaillon. Comparaison des différentes techniques de mesure de la densité et de réfractométrie. Récupéré de: MT.com.
4. Interlab. Qu'est-ce qu'un réfractomètre et à quoi sert-il?. Récupéré de: net-interlab.est.
5. Université d'État de l'Oregon. Principes de réfractométrie. Récupéré de: sites.Science.Oregonstate.Édu.