REFRAKTOMETRIE: BEGRÜNDUNG, ARTEN VON REFRAKTOMETERN, ANWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Das Refraktometer ist eine Methode zur optischen Analyse von Substanzen, die den Brechungsindex einer Substanz misst, um ihre Hauptmerkmale zu bestimmen. Es basiert auf der Tatsache, dass Licht beim Übergang von einem Medium zum anderen eine Richtungsänderung erfährt, die von der Art dieser Medien abhängt.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt c = 300.000 km / s, in Wasser beispielsweise sinkt sie auf v = 225.000 km / s. Der Brechungsindex n ist genau als das c / v-Verhältnis definiert.

Abbildung 1. Refraktometer zur Messung des Zuckergehalts in Früchten. Quelle: Wikimedia Commons.

Angenommen, Licht einer bestimmten Wellenlänge fällt in einem vorbestimmten Winkel auf die Oberfläche, der zwei verschiedene Materialien begrenzt. Dann ändert sich die Richtung des Strahls, da jedes Medium einen anderen Brechungsindex hat.

Wie berechnet man den Brechungsindex?

Das Snellsche Gesetz bezieht den Brechungsindex zwischen zwei Medien 1 und 2 wie folgt auf:

Hier ist n ₁ der Brechungsindex in Medium 1, θ ₁ ist der Einfallswinkel des Strahls auf die Grenzfläche, n ₂ ist der Brechungsindex in Medium 2 und θ ₂ ist der Brechungswinkel in welcher Richtung Der Sendestrahl geht weiter.

Abbildung 2. Lichtstrahl auf zwei verschiedene Medien. Quelle: Wikimedia Commons.

Der Brechungsindex von Materialien ist konstant und unter bestimmten physikalischen Bedingungen bekannt. Damit kann der Brechungsindex eines anderen Mediums berechnet werden.

Wenn beispielsweise Licht durch ein Glasprisma mit einem Index von n ₁ und dann durch die Substanz, deren Index wir wissen möchten, den Einfallswinkel und den Brechungswinkel sorgfältig misst, erhalten wir:

Arten von Refraktometern

Das Refraktometer ist ein Instrument, das den Brechungsindex einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs mit flachen und glatten Flächen misst. Es gibt zwei Arten von Refraktometern:

-Optisch-manueller Typ wie das Abbe-Refraktometer.

-Digitale Refraktometer.

- Optisch-manueller Typ wie Abbes Refraktometer

Das Abbe-Refraktometer wurde im 19. Jahrhundert von Ernst Abbe (1840-1905) erfunden, einem deutschen Physiker, der maßgeblich zur Entwicklung der Optik und Thermodynamik beitrug. Diese Art von Refraktometer ist in der Lebensmittelindustrie und in Lehrlabors weit verbreitet und besteht im Wesentlichen aus:

-Eine Lampe als Lichtquelle, im Allgemeinen Natriumdampf, deren Wellenlänge bekannt ist. Es gibt Modelle, die normales weißes Licht verwenden, das alle sichtbaren Wellenlängen enthält, aber eingebaute Prismen, sogenannte Amici-Prismen, die unerwünschte Wellenlängen eliminieren.

- Ein Beleuchtungsprisma und ein anderes Brechungsprisma, zwischen denen die Probe platziert wird, deren Index gemessen werden soll.

-Thermometer, da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt.

-Anpassungsmechanismen für das Bild.

-Das Okular, durch das der Beobachter die Messung durchführt.

Die Anordnung dieser Grundteile kann je nach Ausführung variieren (siehe Abbildung 3 links). Als nächstes werden wir die Funktionsprinzipien sehen.

Abbildung 3. Links ein Abbe-Refraktometer und rechts ein grundlegendes Betriebsdiagramm. Quelle: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Wie das Abbe Refraktometer funktioniert

Das Verfahren ist wie folgt: Die Probe wird zwischen dem Brechungsprisma - das fest ist - und dem Beleuchtungsprisma - fettfähig - platziert.

Das Brechungsprisma ist hochglanzpoliert und sein Brechungsindex ist hoch, während das Beleuchtungsprisma auf der Kontaktfläche matt und rau ist. Auf diese Weise wird beim Einschalten der Lampe Licht in alle Richtungen auf die Probe emittiert.

Ray AB in Abbildung 3 ist derjenige mit der größtmöglichen Abweichung, sodass rechts von Punkt C ein Beobachter ein schattiertes Feld sieht, während der Sektor links beleuchtet wird. Der Anpassungsmechanismus wird jetzt aktiviert, da Sie möchten, dass die beiden Felder dieselbe Größe haben.

Hierzu befindet sich auf dem Okular eine Hilfsmarke, die je nach Design unterschiedlich ist. Es kann sich jedoch auch um ein Kreuz oder eine andere Art von Signal handeln, das zur Zentrierung der Felder dient.

Indem die beiden Felder gleich groß gemacht werden, kann der kritische Winkel oder Grenzwinkel gemessen werden. Dies ist der Winkel, unter dem der durchgelassene Strahl die Oberfläche passieren würde, die das Medium trennt (siehe Abbildung 4).

Wenn Sie diesen Winkel kennen, können Sie den Brechungsindex der Probe direkt anhand des Prismas berechnen. Schauen wir uns das unten genauer an.

Der kritische Winkel

In der folgenden Abbildung sehen wir, dass der kritische Winkel θ _c derjenige ist, bei dem sich der Strahl direkt über die Grenzfläche bewegt.

Wenn der Winkel weiter vergrößert wird, erreicht der Strahl nicht die Mitte 2, sondern wird reflektiert und setzt sich in der Mitte 1 fort. Das auf diesen Fall angewandte Snell-Gesetz wäre: sin θ ₂ = sin 90º = 1, was direkt führt zum Brechungsindex im Medium 2:

Abbildung 4. Kritischer Winkel. Quelle: F. Zapata.

Nun, der kritische Winkel wird genau durch Gleichsetzen der Größe der Licht- und Schattenfelder erhalten, die durch das Okular gesehen werden, durch die auch eine abgestufte Skala beobachtet wird.

Die Skala wird normalerweise zum direkten Ablesen des Brechungsindex kalibriert. Je nach Refraktometermodell sieht der Bediener also etwas Ähnliches wie im folgenden Bild:

Abbildung 5. Die Skala eines Refraktometers wird kalibriert, um den Brechungsindex direkt zu erhalten. Quelle: Refraktometrie. Oregon State University.

Die obere Skala zeigt mit Hilfe der vertikalen Linie das Hauptmaß an: 1,460, während die untere Skala 0,00068 anzeigt. Beim Hinzufügen beträgt der Brechungsindex 1,46068.

Bedeutung der Wellenlänge

Das Licht, das auf das Beleuchtungsprisma fällt, ändert seine Richtung. Da es sich jedoch um eine elektromagnetische Welle handelt, hängt die Änderung von λ ab, der Länge der einfallenden Welle.

Da weißes Licht alle Wellenlängen enthält, wird jede in unterschiedlichem Maße gebrochen. Um diese Vermischung zu vermeiden, die zu einem unscharfen Bild führt, muss das in einem hochauflösenden Refraktometer verwendete Licht eine eindeutige und bekannte Wellenlänge haben. Am häufigsten wird die sogenannte Natrium-D-Linie verwendet, deren Wellenlänge 589,6 nm beträgt.

In Fällen, in denen keine zu hohe Präzision erforderlich ist, ist natürliches Licht ausreichend, auch wenn es eine Mischung von Wellenlängen enthält. Um jedoch zu vermeiden, dass der Rand zwischen Hell und Dunkel im Bild unscharf wird, fügen einige Modelle Amicis Kompensationsprismen hinzu.

Vorteile und Nachteile

Die Refraktometrie ist eine schnelle, kostengünstige und zuverlässige Technik, um die Reinheit einer Substanz zu ermitteln. Deshalb wird sie häufig in der Chemie, Bioanalyse und Lebensmitteltechnologie eingesetzt.

Da es jedoch verschiedene Substanzen mit demselben Brechungsindex gibt, muss bekannt sein, welche analysiert wird. Beispielsweise ist bekannt, dass Cyclohexan und einige zuckerhaltige Lösungen bei einer Temperatur von 20 ° C den gleichen Brechungsindex aufweisen.

Andererseits ist der Brechungsindex, wie oben erwähnt, zusätzlich zum Druck und zur Konzentration der Brechungslösung stark von der Temperatur abhängig. Alle diese Parameter müssen sorgfältig überwacht werden, wenn hochpräzise Messungen erforderlich sind.

Die Art des zu verwendenden Refraktometers hängt stark von der Anwendung ab, für die es bestimmt ist. Hier sind einige Merkmale der Haupttypen:

Manuelles Abbe Refraktometer

-Es ist ein zuverlässiges und wartungsarmes Instrument.

-Sie sind normalerweise billig.

-Sehr angemessen, um sich mit den Grundprinzipien der Refraktometrie vertraut zu machen.

- Es ist darauf zu achten, dass die Oberfläche des Prismas in Kontakt mit der Probe nicht zerkratzt wird.

- Muss nach jedem Gebrauch gereinigt werden, kann aber nicht mit Papier oder rauen Materialien durchgeführt werden.

-Der Refraktometer-Bediener muss geschult sein.

-Jede Messung muss von Hand registriert werden.

- Sie werden normalerweise mit speziell für einen bestimmten Stoffbereich kalibrierten Skalen geliefert.

-Sie müssen kalibriert werden.

-Das Wasserbad-Temperaturregelsystem kann umständlich zu bedienen sein.

Digitale Refraktometer

- Sie sind leicht abzulesen, da die Messung direkt auf einem Bildschirm angezeigt wird.

- Sie verwenden optische Sensoren für hochpräzise Messwerte.

- Sie haben die Möglichkeit, die erhaltenen Daten zu speichern, zu exportieren und jederzeit abzurufen.

- Sie sind äußerst genau, selbst für Substanzen, deren Brechungsindex schwer zu messen ist.

-Es ist möglich, verschiedene Skalen zu programmieren.

- Erfordert keine Temperatureinstellung mit Wasser.

- Einige Modelle enthalten beispielsweise Dichtemessungen oder können an Dichtemessgeräte, pH-Messgeräte und andere angeschlossen werden, um Zeit zu sparen und gleichzeitige Messungen zu erhalten.

- Es ist nicht erforderlich, sie neu zu kalibrieren. Überprüfen Sie jedoch von Zeit zu Zeit, ob sie ordnungsgemäß funktionieren, indem Sie den Brechungsindex bekannter Substanzen wie beispielsweise destilliertem Wasser messen.

-Sie sind teurer als manuelle Refraktometer.

Anwendungen

Die Kenntnis des Brechungsindex einer Probe zeigt ihren Reinheitsgrad an, weshalb die Technik in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet ist:

-In der Qualitätskontrolle der Öle, um ihre Reinheit zu bestimmen. Zum Beispiel ist es durch Refraktometrie möglich zu wissen, ob ein Sonnenblumenöl durch Zugabe anderer Öle geringerer Qualität gesenkt wurde.

Abbildung 6. Labor für Lebensmitteltechnologie. Quelle: Piqsels.

-Es wird in der Lebensmittelindustrie verwendet, um den Zuckergehalt in zuckerhaltigen Getränken, Marmeladen, Milch und ihren Derivaten sowie verschiedenen Saucen zu kennen.

- Sie sind auch bei der Qualitätskontrolle von Weinen und Bieren erforderlich, um den Zucker- und Alkoholgehalt zu bestimmen.

-In der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Qualitätskontrolle von Sirupen, Parfums, Waschmitteln und allen Arten von Emulsionen.

- Sie können die Konzentration von Harnstoff - einem Abfall aus dem Proteinstoffwechsel - im Blut messen.

Verweise

1. Chemielabortechniken. Refraktometrie. Wiederhergestellt von: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refractometry. Wiederhergestellt von: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo. Vergleich verschiedener Techniken zur Messung von Dichte und Refraktometrie. Wiederhergestellt von: mt.com.
4. Net InterLab. Was ist ein Refraktometer und wofür ist es? Wiederhergestellt von: net-interlab.es.
5. Oregon State University. Prinzipien der Refraktometrie. Wiederhergestellt von: sites.science.oregonstate.edu.