La réfractométrie est une méthode d'analyse optique de substances qui mesure l'indice de réfraction d'une substance pour déterminer ses principales caractéristiques. Elle repose sur le fait que la lumière, lorsqu'elle passe d'un support à un autre, subit un changement de direction qui dépend de la nature de ces supports..
La vitesse de la lumière dans le vide est c = 300 000 km / s, mais dans l'eau, par exemple, elle diminue à v = 225 000 km / s. Indice de réfraction n est défini précisément comme le quotient CV.
Supposons que la lumière d'une certaine longueur d'onde tombe à un angle prédéterminé sur la surface qui limite deux matériaux différents. Ensuite, la direction du rayon changera, car chaque milieu a un indice de réfraction différent.
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La loi de Snell relie l'indice de réfraction entre deux milieux 1 et 2 comme:
n1 sen θ1 = ndeux sen θdeux
Ici n1 est l'indice de réfraction dans le milieu 1, θ1 est l'angle d'incidence du rayon sur la surface frontière, ndeux est l'indice de réfraction dans le milieu 2 etdeux est l'angle de réfraction, dans quelle direction le rayon transmis continue.
L'indice de réfraction des matériaux est constant et est connu dans certaines conditions physiques. Avec cela, vous pouvez calculer l'indice de réfraction d'un autre milieu.
Par exemple, si la lumière passe à travers un prisme en verre dont l'indice est n1 puis pour la substance dont on veut connaître l'indice, en mesurant soigneusement l'angle d'incidence et l'angle de réfraction, on obtient:
ndeux = (sin θ1 / sen θdeux). n1
Le réfractomètre est un instrument qui mesure l'indice de réfraction d'un liquide ou d'un solide à faces planes et lisses. Il existe deux types de réfractomètres:
-Type optique-manuel tel que le réfractomètre d'Abbe.
-Réfractomètres numériques.
Le réfractomètre Abbe a été inventé au 19ème siècle par Ernst Abbe (1840-1905), un physicien allemand qui a contribué de manière significative au développement de l'optique et de la thermodynamique. Ce type de réfractomètre est largement utilisé dans l'industrie alimentaire et les laboratoires d'enseignement et se compose essentiellement de:
-Une lampe comme source lumineuse, généralement de la vapeur de sodium, dont la longueur d'onde est connue. Il existe des modèles qui utilisent la lumière blanche normale, qui contient toutes les longueurs d'onde visibles, mais ils ont des prismes intégrés appelés Prismes Amici, qui éliminent les longueurs d'onde indésirables.
-UNE prisme d'éclairage et autre prisme réfractif, entre lesquels est placé l'échantillon dont l'indice doit être mesuré.
-Thermomètre, car l'indice de réfraction dépend de la température.
-Mécanismes d'ajustement de l'image.
-L'oculaire, à travers lequel l'observateur effectue la mesure.
La disposition de ces pièces de base peut varier en fonction de la conception (voir figure 3 à gauche). Ensuite, nous verrons les principes de fonctionnement.
La procédure est la suivante: l'échantillon est placé entre le prisme de réfraction - qui est fixe - et le prisme d'éclairage - inclinable-.
Le prisme réfractif est très poli et son indice de réfraction est élevé, tandis que le prisme d'éclairage est mat et rugueux sur la surface de contact. De cette manière, lorsque la lampe est allumée, la lumière est émise dans toutes les directions sur l'échantillon..
Le rayon AB de la figure 3 est celui avec la plus grande déviation possible, donc à droite du point C un observateur verra un champ ombré, tandis que le secteur à gauche sera éclairé. Le mécanisme d'ajustement entre en action maintenant, car on cherche à faire en sorte que les deux champs aient la même taille.
Pour cela, il y a une marque d'aide sur l'oculaire, qui varie selon la conception, mais il peut s'agir d'une croix ou d'un autre type de signal, qui sert à centrer les champs.
En rendant les deux champs de la même taille, l'angle critique ou l'angle limite peut être mesuré, qui est l'angle auquel le rayon transmis passerait en frottant la surface qui sépare le support (voir figure 4).
Connaître cet angle permet de calculer directement l'indice de réfraction de l'échantillon, en prenant celui du prisme. Regardons cela plus en détail ci-dessous..
Dans la figure suivante, nous voyons que l'angle critique θc est celui dans lequel le rayon se déplace juste au-dessus de la surface limite.
Si l'angle est encore augmenté, le faisceau n'atteint pas le milieu 2, mais est réfléchi et continue au milieu 1. La loi de Snell appliquée à ce cas serait: sin θdeux = sin 90º = 1, ce qui conduit directement à l'indice de réfraction dans le milieu 2:
ndeux = n1 sen θc
Eh bien, l'angle critique est obtenu précisément en assimilant la taille des champs de lumière et d'ombre vus à travers l'oculaire, à travers lequel une échelle graduée est également observée.
L'échelle est généralement calibrée pour la lecture directe de l'indice de réfraction, donc en fonction du modèle de réfractomètre, l'opérateur verra quelque chose de similaire à ce qui est observé dans l'image suivante:
L'échelle supérieure, à l'aide de la ligne verticale, indique la mesure principale: 1,460, tandis que l'échelle inférieure indique 0,00068. Lors de l'ajout, nous avons l'indice de réfraction 1.46068.
La lumière qui tombe sur le prisme d'éclairage changera de direction. Mais comme il s'agit d'une onde électromagnétique, le changement dépendra de λ, la longueur de l'onde incidente.
Puisque la lumière blanche contient toutes les longueurs d'onde, chacune est réfractée à un degré différent. Pour éviter ce mélange qui se traduit par une image floue, la lumière utilisée dans un réfractomètre haute résolution doit avoir une longueur d'onde unique et connue. La plus utilisée est la raie dite sodium D, dont la longueur d'onde est de 589,6 nm.
Dans les cas où une trop grande précision n'est pas requise, la lumière naturelle est suffisante, même si elle contient un mélange de longueurs d'onde. Cependant, pour éviter de brouiller le bord entre les zones claires et sombres de l'image, certains modèles ajoutent des prismes de compensation d'Amici..
La réfractométrie est une technique rapide, peu coûteuse et fiable pour connaître la pureté d'une substance, c'est pourquoi elle est largement utilisée en chimie, en bioanalyse et en technologie alimentaire..
Mais comme il existe différentes substances avec le même indice de réfraction, il est nécessaire de savoir laquelle est analysée. Par exemple, le cyclohexane et certaines solutions sucrées sont connus pour avoir le même indice de réfraction à une température de 20 ° C..
D'autre part, l'indice de réfraction dépend fortement de la température, comme indiqué ci-dessus, en plus de la pression et de la concentration de la solution réfractive. Tous ces paramètres doivent être surveillés attentivement lorsque des mesures de haute précision sont nécessaires..
Quant au type de réfractomètre à utiliser, il dépend beaucoup de l'application à laquelle il est destiné. Voici quelques caractéristiques des principaux types:
-C'est un instrument fiable et nécessitant peu d'entretien.
-Ils sont généralement bon marché.
-Très approprié pour se familiariser avec les principes fondamentaux de la réfractométrie.
-Il faut veiller à ne pas rayer la surface du prisme en contact avec l'échantillon..
-Doit être nettoyé après chaque utilisation, mais ne peut pas être fait avec du papier ou des matériaux rugueux.
-L'opérateur du réfractomètre doit avoir une formation.
-Chaque mesure doit être enregistrée à la main.
-Ils viennent généralement avec des échelles calibrées spécifiquement pour une certaine gamme de substances..
-Ils nécessitent d'être étalonnés.
-Le système de contrôle de la température du bain-marie peut être fastidieux à utiliser.
-Ils sont faciles à lire, car la mesure apparaît directement sur un écran.
-Employez des capteurs optiques pour des lectures de haute précision.
-Ils ont la possibilité de stocker et d'exporter les données obtenues et de pouvoir les consulter à tout moment.
-Ils sont extrêmement précis, même pour les substances dont l'indice de réfraction est difficile à mesurer.
-Différentes échelles peuvent être programmées.
-Ils ne nécessitent pas de réglage de la température avec de l'eau.
-Certains modèles intègrent des mesures de densité, par exemple, ou peuvent être connectés à des densimètres, des pH-mètres et autres, pour gagner du temps et obtenir des mesures simultanées.
-Il n'est pas nécessaire de les recalibrer, mais de vérifier de temps en temps leur bon fonctionnement en mesurant l'indice de réfraction de substances bien connues, comme l'eau distillée par exemple..
-Ils sont plus chers que les réfractomètres manuels.
Connaître l'indice de réfraction d'un échantillon indique son degré de pureté, c'est pourquoi la technique est largement utilisée dans l'industrie alimentaire:
-Dans le contrôle qualité des huiles, pour déterminer leur pureté. Par exemple, grâce à la réfractométrie, il est possible de savoir si une huile de tournesol a été abaissée en ajoutant d'autres huiles de qualité inférieure.
-Il est utilisé dans l'industrie alimentaire pour connaître la teneur en sucre dans les boissons sucrées, les confitures, le lait et ses dérivés et diverses sauces.
-Ils sont également nécessaires dans le contrôle de la qualité des vins et des bières, pour déterminer la teneur en sucre et la teneur en alcool..
-Dans l'industrie chimique et pharmaceutique pour le contrôle qualité des sirops, parfums, détergents et toutes sortes d'émulsions.
-Ils peuvent mesurer la concentration d'urée - un déchet du métabolisme des protéines - dans le sang.
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