REFRAKTOMETRI: GEREKÇE, REFRAKTOMETRE TÜRLERI, UYGULAMALAR - KIMYA - 2024

Refraktometre temel özelliklerini belirlemek için bir maddenin kırılma indeksi ölçer maddelerin optik bir analiz yöntemidir. Işığın, bir ortamdan diğerine geçerken, bu ortamların doğasına bağlı olarak bir yön değişikliğine uğradığı gerçeğine dayanır.

Vakumda ışığın hızı c = 300.000 km / s'dir, ancak suda örneğin v = 225.000 km / s'ye düşer. Kırılma indisi n, tam olarak c / v oranı olarak tanımlanır.

Şekil 1. Meyvelerdeki şeker içeriğini ölçmek için kullanılan refraktometre. Kaynak: Wikimedia Commons.

Belirli bir dalga boyundaki ışığın, iki farklı materyali sınırlayan yüzeyde önceden belirlenmiş bir açıyla düştüğünü varsayalım. Daha sonra ışının yönü değişecektir, çünkü her ortam farklı bir kırılma indisine sahiptir.

Kırılma indeksi nasıl hesaplanır

Snell yasası, iki ortam 1 ve 2 arasındaki kırılma indisini şu şekilde ilişkilendirir:

Burada n ₁ , ortam 1'deki kırılma indisidir, θ ₁ , sınır yüzeyindeki ışının geliş açısıdır, n ₂ , ortam 2'deki kırılma indisidir ve θ ₂ , kırılma açısıdır, hangi yönde iletilen ışın devam eder.

Şekil 2. İki farklı ortama çarpan ışık ışını. Kaynak: Wikimedia Commons.

Malzemelerin kırılma indisi sabittir ve belirli fiziksel koşullar altında bilinir. Bununla, başka bir ortamın kırılma indisi hesaplanabilir.

Örneğin, ışık indeksi n ₁ olan bir cam prizmadan ve sonra indeksini bilmek istediğimiz maddeden geçerse , geliş açısını ve kırılma açısını dikkatlice ölçerek şunu elde ederiz:

Refraktometre türleri

Refraktometre, düz ve pürüzsüz yüzleri olan bir sıvının veya katının kırılma indisini ölçen bir alettir. İki tür refraktometre vardır:

-Abbe refraktometre gibi optik-manuel tip.

-Dijital refraktometreler.

- Abbe'nin refraktometresi gibi optik-manuel tip

Abbe refraktometre, 19. yüzyılda Optik ve Termodinamiğin gelişimine önemli katkıda bulunan bir Alman fizikçi olan Ernst Abbe (1840-1905) tarafından icat edildi. Bu tip refraktometre, gıda endüstrisinde ve öğretim laboratuvarlarında yaygın olarak kullanılmaktadır ve temel olarak şunlardan oluşur:

- Dalga boyu bilinen, genellikle sodyum buharı olan bir ışık kaynağı olarak bir lamba. Görünür tüm dalga boylarını içeren normal beyaz ışığı kullanan modeller vardır, ancak bunlar, istenmeyen dalga boylarını ortadan kaldıran Amici prizmaları adı verilen yerleşik prizmalara sahiptir.

- İndeksi ölçülecek örneğin arasına yerleştirildiği bir aydınlatma prizması ve başka bir kırılma prizması.

-Termometre, kırılma indisi sıcaklığa bağlı olduğundan.

-Görüntü için ayarlama mekanizmaları.

-Gözlemcinin ölçümü gerçekleştirdiği göz merceği.

Bu temel parçaların düzeni, tasarıma bağlı olarak değişebilir (soldaki şekil 3'e bakın). Daha sonra çalışma prensiplerini göreceğiz.

Şekil 3. Solda bir Abbe refraktometre ve sağda temel bir çalışma diyagramı. Kaynak: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

Abbe Refraktometre Nasıl Çalışır?

Prosedür şu şekildedir: numune, sabit olan kırılma prizması ile yağlanabilir aydınlatma prizması arasına yerleştirilir.

Kırılma prizması son derece cilalıdır ve kırılma indisi yüksektir, aydınlatma prizması ise mat ve temas yüzeyinde pürüzlüdür. Bu sayede lamba açıldığında numune üzerinde her yöne ışık yayılır.

Şekil 3'teki Ray AB, olası en büyük sapmaya sahip olandır, bu nedenle C noktasının sağında bir gözlemci gölgeli bir alan görecek, soldaki sektör ise aydınlatılacaktır. Ayar mekanizması şimdi devreye giriyor, çünkü istediğiniz iki alanın aynı boyutta olmasını sağlamak.

Bunun için, göz merceğinde tasarıma bağlı olarak değişen bir yardım işareti vardır, ancak alanları ortalamaya yarayan bir çarpı veya başka bir sinyal türü olabilir.

İki alanı aynı boyutta yaparak, iletilen ışının ortamı ayıran yüzeyi sıyırarak geçeceği açı olan kritik açı veya sınır açısı ölçülebilir (bkz. Şekil 4).

Bu açının bilinmesi, prizmanın kırılma indisini alarak numunenin kırılma indisini doğrudan hesaplamaya izin verir. Buna aşağıda daha detaylı bakalım.

Kritik açı

Aşağıdaki şekilde, kritik açının θ _c , ışının sınır yüzeyinin hemen üzerinden geçtiği açı olduğunu görüyoruz .

Açı daha fazla artırılırsa, ışın orta 2'ye ulaşmaz, ancak yansıtılır ve orta 1'de devam eder. Bu duruma uygulanan Snell yasası şöyle olacaktır: sin θ ₂ = sin 90º = 1, bu da doğrudan ortam 2'deki kırılma indisine:

Şekil 4. Kritik açı. Kaynak: F. Zapata.

Eh, kritik açı, tam olarak, kademeli bir ölçeğin de gözlendiği, göz merceğinden görülen ışık ve gölge alanlarının boyutu eşitlenerek elde edilir.

Ölçek genellikle kırılma indisinin doğrudan okunması için kalibre edilir, bu nedenle refraktometre modeline bağlı olarak, operatör aşağıdaki görüntüde gözlemlenene benzer bir şey görecektir:

Şekil 5. Bir refraktometrenin ölçeği, doğrudan kırılma indisini verecek şekilde kalibre edilir. Kaynak: Refraktometri. Oregon Eyalet Üniversitesi.

Dikey çizgi yardımıyla üst ölçek ana ölçümü gösterir: 1.460, alt ölçek 0.00068'i gösterir. Eklerken kırılma indisi 1.46068'dir.

Dalga boyunun önemi

Aydınlatma prizmasına düşen ışık yönünü değiştirecektir. Fakat bu bir elektromanyetik dalga olduğu için, değişim, gelen dalganın uzunluğu olan λ'ya bağlı olacaktır.

Beyaz ışık tüm dalga boylarını içerdiğinden, her biri farklı derecelerde kırılır. Bulanık bir görüntüyle sonuçlanan bu karıştırmayı önlemek için, yüksek çözünürlüklü bir refraktometrede kullanılan ışığın benzersiz ve bilinen bir dalga boyuna sahip olması gerekir. En çok kullanılan, dalga boyu 589,6 nm olan sözde sodyum D hattıdır.

Çok fazla hassasiyetin gerekli olmadığı durumlarda, bir dalga boyları karışımı içerse bile doğal ışık yeterlidir. Bununla birlikte, görüntüdeki aydınlık ve karanlık arasındaki kenarın bulanıklaşmasını önlemek için bazı modeller Amici'nin dengeleyici prizmalarını ekler.

Avantajlar ve dezavantajlar

Refraktometri, bir maddenin saflığını bilmek için hızlı, ucuz ve güvenilir bir tekniktir, bu nedenle kimya, biyoanaliz ve gıda teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ancak aynı kırılma indisine sahip farklı maddeler olduğu için hangisinin analiz edildiğini bilmek gerekir. Örneğin, sikloheksan ve bazı şekerli çözeltilerin 20 ° C sıcaklıkta aynı kırılma indisine sahip olduğu bilinmektedir.

Öte yandan, kırılma indisi, kırılma çözeltisinin basıncı ve konsantrasyonuna ek olarak, yukarıda belirtildiği gibi büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Yüksek hassasiyetli ölçümler gerektiğinde tüm bu parametreler dikkatlice izlenmelidir.

Kullanılacak refraktometre tipine gelince, büyük ölçüde amaçlandığı uygulamaya bağlıdır. İşte ana türlerin bazı özellikleri:

Manuel Abbe Refraktometre

-Güvenilir ve az bakım gerektiren bir araçtır.

-Genellikle ucuzdurlar.

-Refraktometrinin temel prensiplerine aşina olmak için çok uygundur.

- Numune ile temas halinde olan prizmanın yüzeyinin çizilmemesine özen gösterilmelidir.

-Her kullanımdan sonra temizlenmelidir, ancak kağıt veya pürüzlü malzemelerle yapılamaz.

-Refraktometre operatörünün eğitim almış olması gerekir.

-Her ölçüm elle kaydedilmelidir.

-Genellikle belirli bir madde aralığı için özel olarak kalibre edilmiş terazilerle birlikte gelirler.

-Kalibre edilmeleri gerekir.

- Su banyosu sıcaklık kontrol sisteminin kullanımı zahmetli olabilir.

Dijital refraktometreler

-Ölçüm doğrudan ekranda göründüğü için okunması kolaydır.

-Yüksek hassasiyetli okumalar için optik sensörler kullanırlar.

-Elde edilen verileri saklama ve ihraç etme ve istediği zaman onlara danışma becerisine sahiptirler.

-Kırılma indisinin ölçülmesi zor olan maddeler için bile son derece hassastırlar.

-Farklı ölçekler programlamak mümkündür.

-Su ile sıcaklık ayarı gerektirmez.

-Bazı modeller, örneğin yoğunluk ölçümlerini içerir veya zamandan kazanmak ve eşzamanlı ölçümler elde etmek için yoğunluk ölçerler, pH ölçerler ve diğerlerine bağlanabilir.

- Bunları yeniden kalibre etmek gerekli değildir, ancak zaman zaman örneğin distile su gibi iyi bilinen maddelerin kırılma indisini ölçerek düzgün çalışıp çalışmadıklarını kontrol edin.

-Manuel refraktometrelerden daha pahalıdır.

Uygulamalar

Bir numunenin kırılma indisinin bilinmesi saflık derecesini gösterir, bu nedenle teknik gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır:

-Yağların kalite kontrolünde saflıklarının belirlenmesi. Örneğin, refraktometre yoluyla, başka düşük kaliteli yağlar eklenerek ayçiçek yağının düşürülüp düşürülmediğini bilmek mümkündür.

Şekil 6. Gıda teknolojisi laboratuvarı. Kaynak: Piqsels.

-Gıda endüstrisinde şekerli içecekler, reçeller, süt ve türevleri ile çeşitli soslardaki şeker içeriğini bilmek için kullanılır.

-Şarap ve biraların kalite kontrolünde, şeker ve alkol içeriğinin tespiti için de gereklidir.

-Kimya ve ilaç endüstrisinde şurup, parfüm, deterjan ve her türlü emülsiyonun kalite kontrolü için.

- Protein metabolizmasından kaynaklanan bir atık olan üre konsantrasyonunu kandaki ölçebilirler.

Referanslar

1. Kimya Laboratuvarı Teknikleri. Refraktometri. Kurtarıldı: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. Refraktometri. Triplenlace.com adresinden kurtarıldı
3. Mettler-Toledo. Yoğunluk ve refraktometri ölçümü için farklı tekniklerin karşılaştırılması. Mt.com adresinden kurtarıldı.
4. Net InterLab. Refraktometre nedir ve ne içindir? Kurtarıldı: net-interlab.es.
5. Oregon Eyalet Üniversitesi. Refraktometrinin ilkeleri. Sites.science.oregonstate.edu adresinden kurtarıldı.