- Como calcular o índice de refração
- Tipos de refratômetros
- - Tipo óptico-manual como o refratômetro de Abbe
- Como funciona o refratômetro Abbe
- O ângulo crítico
- Importância do comprimento de onda
- Vantagens e desvantagens
- Refratômetro Abbe Manual
- Refratômetros digitais
- Formulários
- Referências
O refratômetro 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. O índice de refração n é precisamente definido como a razão c / v.
Figura 1. Refratômetro usado para medir o teor de açúcar em frutas. Fonte: Wikimedia Commons.
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:
Aqui n 1 é o índice de refração no meio 1, θ 1 é o ângulo de incidência do raio na superfície limite, n 2 é o índice de refração no meio 2 e θ 2 é o ângulo de refração, em qual direção o feixe transmitido continua.
Figura 2. Raio de luz atingindo dois meios diferentes. Fonte: Wikimedia Commons.
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 n 1 e, em seguida, pela substância cujo índice queremos saber, medindo cuidadosamente o ângulo de incidência e o ângulo de refração, obtemos:
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 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 embutidos chamados prismas Amici, que eliminam comprimentos de onda indesejados.
-Um prisma de iluminação e outro prisma de refração, 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 realiza a medição.
A disposição dessas peças básicas pode variar dependendo do design (consulte a figura 3 à esquerda). A seguir, veremos os princípios de operação.
Figura 3. À esquerda, um refratômetro Abbe e à direita um diagrama operacional básico. Fonte: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
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 conforme 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 com mais detalhes a seguir.
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: sin θ 2 = sin 90º = 1, o que leva diretamente ao índice de refração no meio 2:
Figura 4. Ângulo crítico. Fonte: F. Zapata.
Pois bem, o ângulo crítico é obtido justamente pela equação do tamanho dos campos de luz e sombra que são vistos pela ocular, através dos quais também se observa uma escala graduada.
A escala é normalmente 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:
Figura 5. A escala de um refratômetro é calibrada para fornecer o índice de refração diretamente. Fonte: Refratometria. Oregon State University.
A escala superior, com o auxílio da linha vertical, indica a medida principal: 1,460, enquanto a escala inferior mostra 0,00068. Ao adicionar, o índice de refração é 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.
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 o claro e o escuro na imagem, alguns modelos adicionam os prismas de compensação Amici.
Vantagens e desvantagens
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:
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.
- 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.
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
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 dos óleos, para determinar sua pureza. Por exemplo, por meio da refratometria é possível saber se um óleo de girassol foi rebaixado com a adição de outros óleos de qualidade inferior.
Figura 6. Laboratório de tecnologia de alimentos. Fonte: Piqsels.
-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.