REFRACTOMETRY: רציונל, סוגי REFRACTOMETERS, יישומים - כִּימִיָה - 2025

Refractometer היא שיטת הניתוח האופטי של חומרים אשר מודד את מקדם השבירה של חומר כדי לקבוע המאפיינים העיקריים שלה. זה מבוסס על העובדה שאור, כאשר הוא עובר ממדיום אחד למשנהו, עובר שינוי כיוון התלוי באופי התקשורת הללו.

מהירות האור בוואקום היא c = 300,000 קמ"ש, אך במים, למשל, היא יורדת ל- v = 225,000 קמ"ש. מדד השבירה n מוגדר במדויק כיחס ה- c / v.

איור 1. איור 1. Refractometer המשמש למדידת תכולת הסוכר בפירות. מקור: Wikimedia Commons.

נניח שאור באורך גל מסוים נופל בזווית קבועה מראש על המשטח המגביל שני חומרים שונים. ואז כיוון הקרן ישתנה, מכיוון שלכל מדיום יש אינדקס שבירה שונה.

כיצד לחשב את מדד השבירה

החוק של סנל מתייחס למדד השבירה בין שני אמצעי תקשורת 1 ו -2:

כאן n ₁ הוא מדד השבירה במדיום 1, θ ₁ הוא זווית השכיחות של הקרן על משטח הגבול, n ₂ הוא מדד השבירה במדיום 2 ו- θ ₂ הוא זווית השבירה, לאיזה כיוון הקורה המשודרת ממשיכה.

איור 2. קרן אור המכה בשני מדיות שונות. מקור: Wikimedia Commons.

מדד השבירה של חומרים הוא קבוע וידוע בתנאים גופניים מסוימים. בעזרת זה ניתן לחשב את מדד השבירה של מדיום אחר.

לדוגמה, אם אור עובר דרך פריזמה מזכוכית שהמדד שלה הוא n ₁ ואז דרך החומר שאת המדד שלו אנו רוצים לדעת, נמדוד בזהירות את זווית ההיארעות ואת זווית השבירה, אנו משיגים:

סוגי refractometers

הרפרקטומטר הוא מכשיר המודד את מדד השבירה של נוזל או מוצק עם פנים שטוחות וחלקות. ישנם שני סוגים של refractometers:

-אופטי-ידני סוג כמו refractometer Abbe.

-ראקטומטרים דיגיטליים.

- סוג אופטי-ידני כמו הרפרקטומטר של Abbe

רפרקטומטר Abbe הומצא במאה ה -19 על ידי ארנסט אבא (1840-1905), פיזיקאי גרמני שתרם משמעותית להתפתחות האופטיקה והתרמודינמיקה. סוג זה של רפרקטומטר נמצא בשימוש נרחב בתעשיית המזון ובמעבדות ההוראה והוא בעיקרון מורכב מ:

-מנורה כמקור אור, בדרך כלל אדי נתרן, שאורך הגל שלה ידוע. ישנם דגמים המשתמשים באור לבן רגיל, המכיל את כל אורכי הגל הנראים לעין, אך יש להם מנסרות מובנות הנקראות מנסרות אמיצ'י, המבטלות את אורכי הגל הלא רצויות.

-מנסרת תאורה ופריזמה שבירה נוספת, שביניהן מוצב המדגם שאליו יש למדוד.

-טרמומטר, מכיוון שמדד השבירה תלוי בטמפרטורה.

- מנגנוני התאמה לתמונה.

העינית, דרכה מבצע המתבונן את המדידה.

סידור החלקים הבסיסיים הללו עשוי להשתנות בהתאם לעיצוב (ראה איור 3 משמאל). בשלב הבא נראה את עקרונות הפעולה.

איור 3. משמאל רפרקטומטר Abbe ומשמאל תרשים הפעלה בסיסי. מקור: Wikimedia Commons. 丰泽 一号

כיצד עובד Refractometer Abbe

הנוהל הוא כדלקמן: הדגימה ממוקמת בין פריזמת השבירה - שהיא קבועה - לבין פריזמת התאורה - ניתנת לראיה.

פריזמת השבירה מלוטשת מאוד ומדד השבירה שלה גבוה, ואילו פריזמת התאורה מטה ומחוספסת על משטח המגע. באופן זה, כאשר המנורה דולקת, נפלטים אור לכל הכיוונים על המדגם.

ריי AB בתרשים 3 הוא זה עם הסטייה הגדולה ביותר האפשרית, כך שמימין לנקודה C הצופה יראה שדה מוצל, ואילו הגזרה משמאל תאיר. מנגנון ההתאמה נכנס לפעולה כעת, מכיוון שמה שאתה רוצה זה לגרום לשני השדות להיות באותו גודל.

לשם כך יש סימן עזרה על העינית, שמשתנה בהתאם לעיצוב, אך זה יכול להיות צלב או סוג אחר של אות, המשמש למרכז השדות.

על ידי הפיכת שני השדות לגודל זהה, ניתן למדוד את הזווית הקריטית או את זווית הגבול, שהיא הזווית בה הייתה עוברת הקרן המועברת תוך רועה על פני השטח המפריד בין המדיה (ראה איור 4).

הכרת זווית זו מאפשרת לחשב ישירות את מדד השבירה של המדגם, לקחת את זה של הפריזמה. בואו נסתכל על זה ביתר פירוט בהמשך.

הזווית הקריטית

באיור הבא אנו רואים שהזווית הקריטית θ _c היא זו בה הקרן נעה ממש מעל פני הגבול.

אם הזווית מוגברת עוד יותר אז הקורה לא מגיעה לאמצע 2, אלא משתקפת וממשיכה באמצע 1. החוק של סנל שיוחל על מקרה זה יהיה: sin θ ₂ = sin 90º = 1, שמוביל ישירות למדד השבירה במדיום 2:

איור 4. זווית קריטית. מקור: פ. זפטה.

ובכן, הזווית הקריטית מתקבלת בדיוק על ידי השוואה לגודל שדות האור והצל הנראים דרך העינית, דרכם נצפה גם סולם מדורגת.

הסולם מכויל בדרך כלל לקריאה ישירה של מדד השבירה, ולכן תלוי בדגם הראקטומטר, המפעיל יראה משהו דומה למה שנצפה בתמונה הבאה:

איור 5. סולם של רפרקטומטר מכויל בכדי לתת ישירות למדד השבירה. מקור: Refractometry. אוניברסיטת אורגון.

הסולם העליון, בעזרת הקו האנכי, מציין את המדידה העיקרית: 1.460 ואילו הסולם התחתון מראה 0.00068. כאשר מוסיפים, מדד השבירה הוא 1.46068.

חשיבות אורך הגל

האור שנופל על פריזמת התאורה ישנה את כיווןו. אך מכיוון שמדובר בגל אלקטרומגנטי, השינוי יהיה תלוי ב-,, אורך גל האירוע.

מכיוון שאור לבן מכיל את כל אורכי הגל, כל אחד מתפרק בדרגה אחרת. כדי למנוע ערבוב זה שמביא לתמונה מעורפלת, האור המשמש ברפרקטומטר ברזולוציה גבוהה חייב להיות בעל אורך גל ייחודי וידוע. הנפוץ ביותר הוא מה שמכונה קו נתרן D, שאורך הגל שלו הוא 589.6 ננומטר.

במקרים בהם לא נדרש דיוק רב מדי, אור טבעי מספיק, גם אם הוא מכיל תערובת של אורכי גל. עם זאת, כדי להימנע מטשטוש הקצה בין אור לחושך בתמונה, דגמים מסוימים מוסיפים את המנסרות המפצות של אמיצ'י.

יתרונות וחסרונות

רפרקטומטריה היא טכניקה מהירה, זולה ואמינה להכיר את טוהר החומר, וזו הסיבה שהוא נמצא בשימוש נרחב בכימיה, ביואנליזה וטכנולוגיית מזון.

אך מכיוון שישנם חומרים שונים עם אותו מדד שבירה, יש לדעת אילו מהם מנותחים. לדוגמה, ידוע שיש לציקללוהקסאן וכמה תמיסות ממותקים אותו אינדקס שבירה בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס.

לעומת זאת, מדד השבירה תלוי מאוד בטמפרטורה, כאמור לעיל, בנוסף ללחץ וריכוז תמיסת השבירה. יש לעקוב בקפידה אחר כל הפרמטרים הללו כאשר נדרשות מדידות דיוק גבוהות.

באשר לסוג הרפרקטומטר לשימוש, זה תלוי מאוד ביישום שלשמו הוא מיועד. להלן כמה מאפיינים מהסוגים העיקריים:

Refractometer ידני

זה מכשיר אמין ונמוך לתחזוקה.

בדרך כלל הם זולים.

מאוד מתאים להכיר את העקרונות הבסיסיים של refractometry.

- יש להקפיד לא לשרוט את פני הפריזמה במגע עם הדגימה.

יש לנקות לאחר כל שימוש, אך לא ניתן לעשות זאת בנייר או בחומרים גסים.

-מפעיל הראפומטר חייב להיות אימון.

יש לרשום מדידה ידנית.

בדרך כלל הם מגיעים עם קשקשים מכוילים במיוחד עבור מגוון מסוים של חומרים.

-הם דורשים כיול.

מערכת בקרת טמפרטורת אמבט המים יכולה להיות מסורבלת לשימוש.

Refractometers דיגיטלי

קל לקרוא אותם, מכיוון שהמדידה מופיעה ישירות על גבי מסך.

הם משתמשים בחיישנים אופטיים לקריאות דיוק גבוהות.

יש להם את היכולת לאחסן ולייצא את הנתונים המתקבלים ולהיות מסוגל להתייעץ איתם בכל עת.

הם מדויקים ביותר, אפילו עבור חומרים שמדד השבירה שלהם קשה למדידה.

ניתן לתכנת מאזניים שונים.

-לא דורש התאמת טמפרטורה עם מים.

-דגמים מסוימים משלבים מדידות צפיפות, למשל, או שניתן לחבר אותם למדדי צפיפות, מד pH ואחרים, כדי לחסוך זמן ולקבל מדידות בו זמנית.

אין צורך לכייל אותם מחדש, אך יש לבדוק מדי פעם שהם פועלים כראוי על ידי מדידת מדד השבירה של חומרים ידועים, למשל מים מזוקקים למשל.

הם יקרים יותר מאשר refractometers ידני.

יישומים

הכרת מדד השבירה של מדגם מציינת את מידת הטוהר שלה, וזו הסיבה שהטכניקה נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית המזון:

-בבקרת האיכות של השמנים, כדי לקבוע את טוהרם. לדוגמא, באמצעות רפרקטומטריה ניתן לדעת אם הוריד שמן חמניות על ידי הוספת שמנים אחרים באיכות נמוכה יותר.

איור 6. מעבדה לטכנולוגיית מזון. מקור: פיקסלס.

-משמש בתעשיית המזון להכרת תכולת הסוכר במשקאות ממותקים, ריבות, חלב ונגזרותיו ורטבים שונים.

הם נחוצים גם בבקרת האיכות של יינות ובירות, כדי לקבוע את תכולת הסוכר ותכולת האלכוהול.

בתעשייה הכימית והתרופות לבקרת איכות של סירופים, בשמים, חומרי ניקוי וכל מיני תחליבים.

הם יכולים למדוד את ריכוז האוריאה - בזבוז מטבוליזם חלבוני - בדם.

הפניות

1. טכניקות מעבדה לכימיה. רפרקטומטריה. התאושש מ: 2.ups.edu.
2. גבירה, ג'. רפרקטומטריה. התאושש מ: triplenlace.com
3. מטלר-טולדו. השוואה בין טכניקות שונות למדידת צפיפות ורפרקטומטריה. התאושש מ: mt.com.
4. רשת InterLab נטו. מה זה רפרקטומטר ולמה הוא מיועד? התאושש מ: net-interlab.es.
5. אוניברסיטת אורגון. עקרונות רפרקטומטריה. התאושש מ: sites.science.oregonstate.edu.