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 definido precisamente 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.
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A lei de Snell relaciona o índice de refração entre dois meios 1 e 2 como:
n1 sen θ1 = ndois sen θdois
Aqui n1 é o índice de refração no meio 1, θ1 é o ângulo de incidência do raio na superfície limite, ndois é o índice de refração no meio 2 edois é o ângulo de refração, em qual direção o raio transmitido continua.
O índice de refração dos materiais é constante e é conhecido sob certas condições físicas. Com isso, você pode calcular o índice de refração de outro meio.
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:
ndois = (sin θ1 / sen θdois) n1
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 óptico-manual, como o refratômetro de Abbe.
-Refratômetros digitais.
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 as quais a amostra cujo índice deve ser medido é colocada.
-Termômetro, uma vez que o índice de refração depende da temperatura.
-Mecanismos de ajuste para a imagem.
-A ocular, através da qual o observador realiza a medição.
A disposição dessas peças básicas pode variar dependendo do projeto (consulte a figura 3 à esquerda). Então veremos os princípios de operação.
O procedimento é o seguinte: a amostra é colocada entre o prisma de refração - que é fixo - e o prisma de iluminação - inclinável-.
O prisma de refração 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 aquele com o maior desvio possível, então 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 busca é fazer com 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 a mídia (ver figura 4).
Conhecer este ângulo permite calcular diretamente o índice de refração da amostra, tomando o do prisma. Vamos examinar isso com mais detalhes a seguir..
Na figura a seguir, vemos que o ângulo crítico θc 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 θdois = sen 90º = 1, o que leva diretamente ao índice de refração no meio 2:
ndois = n1 sen θc
Bem, o ângulo crítico é obtido justamente equacionando o tamanho dos campos de luz e sombra vistos através da ocular, através dos quais uma escala graduada também é observada..
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.
A luz que incide sobre o prisma de iluminação mudará sua direção. Mas por ser uma onda eletromagnética, a mudança dependerá de λ, o comprimento da onda incidente.
Como 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 as áreas claras e escuras da imagem, alguns modelos adicionam os prismas de compensação da Amici..
A refratometria é uma técnica rápida, econômica e confiável para saber 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, como afirmado 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:
-É um instrumento confiável e de baixa manutenção.
-Geralmente são baratos.
-Muito apropriado para se familiarizar com os princípios fundamentais da refratometria.
-Deve-se 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.
-Eles são fáceis de ler, uma vez que a medição aparece diretamente em uma tela.
-Empregar sensores ópticos para leituras de alta precisão.
-Eles têm a capacidade de armazenar e exportar os dados obtidos e consultá-los a qualquer momento.
-Eles são extremamente precisos, mesmo para substâncias cujo índice de refração é difícil de medir.
-Diferentes escalas podem ser programadas.
-Eles não requerem 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 verificar seu correto funcionamento de vez em quando medindo o índice de refração de substâncias bem conhecidas, como água destilada por exemplo..
-Eles são mais caros do que refratômetros manuais.
Saber 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 de óleos, para determinar sua pureza. Por exemplo, por meio da refratometria é possível saber se um óleo de girassol foi reduzido 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.
-Eles 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 controle de qualidade de xaropes, perfumes, detergentes e todos os tipos de emulsões.
-Eles podem medir a concentração de ureia - um resíduo do metabolismo das proteínas - no sangue.
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