Refratometria: justificativa, tipos de refratômetros, aplicações - Ciência - 2023

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o refratometria é um método de análise óptica de substâncias que mede o índice de refração de uma substância para determinar suas características principais. Baseia-se no fato de que a luz, ao passar de um meio para outro, sofre uma mudança de direção que depende da natureza desses meios.

A velocidade da luz no vácuo é c = 300.000 km / s, mas na água, por exemplo, diminui para v = 225.000 km / s. Índice de refração n é precisamente definido como o quociente cv.

Suponha que a luz de um determinado comprimento de onda incida em um ângulo predeterminado na superfície que limita dois materiais diferentes. Então, a direção do raio mudará, porque cada meio tem um índice de refração diferente.

Como calcular o índice de refração

A lei de Snell relaciona o índice de refração entre dois meios 1 e 2 como:

n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ₂

Aqui n₁ é o índice de refração no meio 1, θ₁é o ângulo de incidência do raio na superfície limite, n₂ é o índice de refração no meio 2 e θ₂é o ângulo de refração, na direção em que o raio transmitido continua.

O índice de refração dos materiais é constante e é conhecido sob certas condições físicas. Com isso, o índice de refração de outro meio pode ser calculado.

Por exemplo, se a luz passa por um prisma de vidro cujo índice é n₁ e então para a substância cujo índice queremos saber, medindo cuidadosamente o ângulo de incidência e o ângulo de refração, obtemos:

n₂ = (sen θ₁ / sen θ₂) n₁

Tipos de refratômetros

O refratômetro é um instrumento que mede o índice de refração de um líquido ou sólido com faces planas e lisas. Existem dois tipos de refratômetros:

-Tipo ótico-manual como o refratômetro de Abbe.

-Rrefatômetros digitais.

- Tipo óptico-manual como o refratômetro de Abbe

O refratômetro Abbe foi inventado no século 19 por Ernst Abbe (1840-1905), um físico alemão que contribuiu significativamente para o desenvolvimento da Óptica e da Termodinâmica. Este tipo de refratômetro é amplamente utilizado na indústria de alimentos e laboratórios de ensino e consiste basicamente em:

-Uma lâmpada como fonte de luz, geralmente vapor de sódio, cujo comprimento de onda é conhecido. Existem modelos que usam luz branca normal, que contém todos os comprimentos de onda visíveis, mas eles têm prismas integrados chamados Prismas amici, que eliminam comprimentos de onda indesejados.

-UMA prisma de iluminação e outro prisma refrativo, entre os quais é colocada a amostra cujo índice deve ser medido.

-Termômetro, pois o índice de refração depende da temperatura.

-Mecanismos de ajuste da imagem.

-A ocular, através da qual o observador efetua a medição.

A disposição dessas peças básicas pode variar dependendo do projeto (consulte a figura 3 à esquerda). A seguir, veremos os princípios de operação.

Como funciona o refratômetro Abbe

O procedimento é o seguinte: a amostra é colocada entre o prisma de refração –que é fixo- e o prisma de iluminação –fatível-.

O prisma refrativo é altamente polido e seu índice de refração é alto, enquanto o prisma de iluminação é fosco e áspero na superfície de contato. Desta forma, quando a lâmpada é ligada, a luz é emitida em todas as direções sobre a amostra.

O raio AB na figura 3 é o que apresenta o maior desvio possível, portanto, à direita do ponto C, um observador verá um campo sombreado, enquanto o setor à esquerda estará iluminado. O mecanismo de ajuste entra em ação agora, pois o que se deseja é que os dois campos tenham o mesmo tamanho.

Para isso existe uma marca de auxílio na ocular, que varia de acordo com o desenho, mas pode ser uma cruz ou outro tipo de sinal, que serve para centralizar os campos.

Ao fazer os dois campos do mesmo tamanho, o ângulo crítico ou ângulo limite pode ser medido, que é o ângulo em que o raio transmitido passaria roçando a superfície que separa o meio (ver figura 4).

Conhecer este ângulo permite calcular diretamente o índice de refração da amostra, tomando o do prisma. Vamos examinar isso em mais detalhes abaixo.

O ângulo crítico

Na figura a seguir, vemos que o ângulo crítico θ_c É aquele em que o raio viaja logo acima da superfície limite.

Se o ângulo for aumentado ainda mais, o feixe não atinge o meio 2, mas é refletido e continua no meio 1. A lei de Snell aplicada a este caso seria: sen θ₂ = sen 90º = 1, o que leva diretamente ao índice de refração no meio 2:

n₂ = n₁ sen θ_c

Pois bem, o ângulo crítico é obtido justamente ao equacionar o tamanho dos campos de luz e sombra que são vistos pela ocular, através dos quais também se observa uma escala graduada.

A escala geralmente é calibrada para leitura direta do índice de refração, portanto, dependendo do modelo do refratômetro, o operador verá algo semelhante ao que é observado na imagem a seguir:

A escala superior, com o auxílio da linha vertical, indica a medida principal: 1,460, enquanto a escala inferior mostra 0,00068. Ao adicionar, temos o índice de refração 1,46068.

Importância do comprimento de onda

A luz que incide sobre o prisma de iluminação mudará sua direção. Mas por se tratar de uma onda eletromagnética, a mudança dependerá de λ, o comprimento da onda incidente.

Visto que a luz branca contém todos os comprimentos de onda, cada um é refratado em um grau diferente. Para evitar essa mistura que resulta em uma imagem difusa, a luz usada em um refratômetro de alta resolução deve ter um comprimento de onda único e conhecido. A mais utilizada é a chamada linha D do sódio, cujo comprimento de onda é de 589,6 nm.

Nos casos em que não é necessária muita precisão, a luz natural é suficiente, mesmo que contenha uma mistura de comprimentos de onda. No entanto, para evitar borrar a borda entre o claro e o escuro na imagem, alguns modelos adicionam os prismas de compensação da Amici.

Vantagens e desvantagens

A refratometria é uma técnica rápida, barata e confiável para conhecer a pureza de uma substância, por isso é amplamente utilizada em química, bioanálise e tecnologia de alimentos.

Mas como existem diferentes substâncias com o mesmo índice de refração, é necessário saber qual delas está sendo analisada. Por exemplo, ciclohexano e algumas soluções açucaradas são conhecidas por terem o mesmo índice de refração a uma temperatura de 20 ° C.

Por outro lado, o índice de refração é altamente dependente da temperatura, conforme mencionado acima, além da pressão e concentração da solução refrativa. Todos esses parâmetros devem ser monitorados cuidadosamente quando medições de alta precisão são necessárias.

Quanto ao tipo de refratômetro a ser utilizado, depende muito da aplicação a que se destina. Aqui estão algumas características dos tipos principais:

Refratômetro Abbe Manual

-É um instrumento confiável e de baixa manutenção.

-Eles são geralmente baratos.

-Muito apropriado para se familiarizar com os princípios fundamentais da refratometria.

-Você deve ter cuidado para não arranhar a superfície do prisma em contato com a amostra.

-Deve ser limpo após cada uso, mas não pode ser feito com papel ou materiais ásperos.

-O operador do refratômetro deve ter treinamento.

-Cada medição deve ser registrada manualmente.

-Eles geralmente vêm com escalas calibradas especificamente para uma determinada gama de substâncias.

-Eles precisam ser calibrados.

-O sistema de controle de temperatura do banho de água pode ser complicado de usar.

Refratômetros digitais

-São fáceis de ler, pois a medição aparece diretamente na tela.

-Eles usam sensores ópticos para leituras de alta precisão.

-Têm a capacidade de armazenar e exportar os dados obtidos e de os consultar a qualquer momento.

-São extremamente precisos, mesmo para substâncias cujo índice de refração é difícil de medir.

-É possível programar escalas diferentes.

-Não requer ajuste de temperatura com água.

-Alguns modelos incorporam medições de densidade, por exemplo, ou podem ser conectados a medidores de densidade, medidores de pH e outros, para economizar tempo e obter medições simultâneas.

-Não é necessário recalibrá-los, mas verifique de vez em quando se estão funcionando bem, medindo o índice de refração de substâncias bem conhecidas, como água destilada por exemplo.

-Eles são mais caros do que refratômetros manuais.

Formulários

Conhecer o índice de refração de uma amostra indica seu grau de pureza, razão pela qual a técnica é amplamente utilizada na indústria de alimentos:

-No controle de qualidade dos óleos, para determinar sua pureza. Por exemplo, por meio da refratometria é possível saber se um óleo de girassol foi baixado pela adição de outros óleos de qualidade inferior.

-É utilizado na indústria alimentar para conhecer o teor de açúcar em bebidas açucaradas, compotas, leite e seus derivados e diversos molhos.

-Também são necessários no controle de qualidade de vinhos e cervejas, para determinar o teor de açúcar e álcool.

-Na indústria química e farmacêutica para o controle de qualidade de xaropes, perfumes, detergentes e todo tipo de emulsões.

-Eles podem medir a concentração de ureia - um resíduo do metabolismo das proteínas - no sangue.

Referências

Técnicas de laboratório de química. Refratometria. Recuperado de: 2.ups.edu.
Gavira, J. Refractometry. Recuperado de: triplenlace.com
Mettler-Toledo. Comparação de diferentes técnicas de medição de densidade e refratometria. Recuperado de: mt.com.
Net InterLab. O que é um refratômetro e para que serve? Recuperado de: net-interlab.es.
Oregon State University. Princípios de refratometria. Recuperado de: sites.science.oregonstate.edu.