Refractometría

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Refractómetro empleado en agricultura así como en viticultura, ingenios azucareros, Apicultura, para determinar la concentración de azúcares en las frutas, caña, mieles.

Se denomina refractometría, al método óptico de determinar la velocidad de propagación de la luz en un medio/compuesto/substancia/cuerpo, la cual se relaciona directamente con la densidad de este medio/compuesto/substancia/cuerpo. Para emplear este principio se utiliza la refracción de la luz, ((la cual es una propiedad física fundamental de cualquier sustancia), y la escala de medición de este principio se llama índice de refracción, Los refractómetros son los instrumentos que emplean este principio de refracción ya sea el de refracción, (empleando varios prismas), o el de angulo critico, (empleando solo un prisma), y su escala primaria de medición es el índice de refracción, a partir de la cual se construyen las diferentes escalas específicas, Brix (azúcar), Densidad Específica, % sal, etc. Los refractómetros se utilizan para medir en líquidos, sólidos y gases, como vidrios o gemas.

Principio de refracción[editar]

La luz se mueve a diferentes velocidades en diferentes materiales. Si un rayo de luz con una longitud de onda definida en un ángulo fijo cruza un superficie límite entre dos materiales diferentes el ángulo del rayo cambiará de acuerdo con el índice de refracción de los medios el uno con el otro. En condiciones constantes con características de material conocidas se puede determinar el índice de refracción de un segundo medio desconocido mientras el ángulo de refracción y el índice de refracción del material conocido. Para esta determinación se emplea la ley de Snell:

n1 * (sen(angulo1)) = n2 * (sen(angulo2)),

donde: n1 = índice de refracción del medio 1, angulo1 = ángulo de incidencia de la luz al medio 1, n2 = índice de refracción del medio 2, angulo2 = ángulo de incidencia de la luz al medio 2.

Refractómetro de Abbe[editar]

Refractómetro de Abbe. Modelo antiguo

El refractómetro de Abbe permite obtener una medición del índice de refracción de un líquido depositándolo sobre una superficie de vidrio, colocándolo en un dispositivo óptico, y ajustando un botón para conducir una placa iluminada hacia el centro de un retículo. Se plantean dos preguntas:

  1. ¿Por qué el valor obtenido es aquel del índice de refracción del líquido estudiado?
  2. ¿Por qué la medición se realiza por reglaje de una placa iluminada?

Los refractometros Abbe pueden emplear los dos métodos de refracción, refracción total o refracción de ángulo crítico.

Principio de la medición[editar]

Este refractómetro fue descrito, en 1874, por su inventor, Ernst Abbe. Un antiguo modelo se encuentra representado a continuación. En su estudio sobre los refractómetros de 1901, Culmman[1] describe este instrumento como constituido por dos prismas de vidrio flint conteniendo una delgada capa de 1/20 de milímetro de espesor del líquido a examinar. El prisma inferior sirve sobre todo para mantener el líquido y para permitir la iluminación del prisma superior. El artículo más reciente de Véret[2] indica que, en los refractómetros modernos, el prisma superior sirve para la iluminación y que el prisma inferior es aquel que permite la medición. La descripción siguiente corresponde a este caso.

La idea es iluminar el líquido a analizar con luz rasante y determinar el ángulo límite e que depende del índice n buscado y del índice N del material sobre el que reposa el líquido y en el cual el rayo rasante penetra.

n = N sin e
Este rayo continúa su camino y ataca la cara de salida del prisma con el ángulo
r = α - e
donde α es el ángulo del prisma.
El rayo sale entonces del prisma con el ángulo i de tal forma que
N sin r = sin i

El ángulo i se encuentra en relación con el índice buscado n. Un visor indica el ángulo y se gradúa directamente en índice de refracción. El valor es preciso con dos unidades del cuarto de decimal del valor del índice n.

Como no es posible conseguir un único rayo rasante que penetre en el lugar adecuado del soporte material subyacente, el dispositivo emplea un haz de luz cuyo límite es, por construcción, el rayo rasante. Este haz constituye el rango de luz cuyo límite será ajustado al retículo y será la base de la medición.

La figura inferior representa este dispositivo. El prisma superior está iluminado y contiene el rayo rasante. La luz entra en el prisma inferior en un rango de luz cuyo rayo superior corresponde a la prolongación del rayo rasante. A la salida del prisma, este rango de luz es reflejado por un espejo y es observado a través de una lente colimatriz. El usuario puede observar, en esta lente, el rango de luz y su límite, que aporta la información sobre el ángulo límite, esto es, sobre el índice de refracción del líquido estudiado.

Refractómetro de prisma de Abbe.

Utilización en luz blanca[editar]

El dispositivo de base solo es utilizable con una luz monocromática, ya que el índice de un material, sobre todo aquel del vidrio flint, depende de la longitud de onda. La raya D del sodio (longitud de onda 589 nm) ha sido elegida históricamente, a causa del carácter monocromático de la luz de las lámparas de vapor de sodio, y de la facilidad para obtener una buena intensidad lumínica. Para trabajar en luz blanca, otros dos prismas se posicionan entre el vidrio flint y la lente colimatriz de manera que los rayos de colores diferentes converjan tras su trayectoria. Este dispositivo se denomina compensador. La consecuencia es la obtención de un sistema acromático, utilizable en luz blanca.

Los refractómetros actuales funcionan con luz natural o con la iluminación de una lámpara blanca. La luz llega a través de una ventana sobre una superficie de entrada del prisma superior. La superficie inferior de éste no está pulida para evitar las reflexiones secundarias.

Calibración y lectura de la medición[editar]

Calibración de la zona iluminada en el cruce de las retículas

La calibración del refractómetro debe tener en cuenta por una parte la acromatización y, por otra parte, la situación del rango de luz en el cruce de las retículas.

Una operación de calibración se realiza de una vez con agua destilada.

El botón que permite conducir el rango luminoso hacia el cruce de las retículas actúa sobre el ángulo del espejo dispuesto a la salida del prisma de flint. Este ángulo corresponde al índice que se registra sobre la escala graduada en índice de refracción, visible en el visor.

Dos escalas están disponibles. Una indica directamente el índice de refracción (entre 1,300 y 1,700). La otra indica, entre 0 y 85 %, el tenor de materia seca de los líquidos azucarados.

Límites de utilización[editar]

  • El refractómetro de Abbe sólo puede utilizarse para líquidos cuyo índice de refracción sea inferior a aquél del vidrio flint (n = 1,7). Más allá de este valor, los rayos próximos del rayo rasante experimentarían una reflexión total, lo que provocaría la imposibilidad de la medición. Esta limitación no es un impedimento en la práctica, pues pocos líquidos poseen un índice de reflexión superior a aquél del vidrio flint.
  • El índice varía en función de la temperatura. Un sistema de termostato, constituido por una circulación de agua en el seno del sistema óptico, permite regular este efecto.

Otros refractómetros[editar]

Refractómetro de ángulo variable[editar]

El líquido se encuentra en una cubeta cuyo fondo es de hoja paralela. Esta hoja es iluminada en incidencia rasante por debajo. Todo tiene lugar como si el líquido fuese iluminado en incidencia rasante desde el aire. Un visor recupera el rayo y determina su ángulo.

Refractómetro de inmersión[editar]

El refractómetro se sumerge en el líquido a analizar. Sólo posee un único prisma, equivalente al prisma inferior de la descripción anterior de refractómetro de Abbe. No existe posibilidad de reflexión parásita, el rayo emergente es más preciso y un engrosamiento más fuerte es entonces posible. He aquí el interés de este dispositivo. Permite por tanto obtener una décima más que para el refractómetro de Abbe (4 unidades del quinto decimal). La iluminación se realiza a través de un espejo.

El refractómetro de inmersión permite dosificar los solubles disueltos en el agua, de débiles variaciones de índice precisamente conocidas. Es mencionado para análisis agroalimentarios.[3] A consecuencia del engrosamiento considerable, un débil rango de índice solamente es accesible: entre 1,325 y 1,367.[1]

La extremidad del refractómetro a inmersión está directamente sumergida en el líquido, como un termómetro, y una anilla permite acromatizar la medición. Es necesario pues disponer de una mayor cantidad de muestra que con el refractómetro de Abbe, lo que no plantea generalmente problemas con las soluciones acuosas.

Refractómetro portátil[editar]

Para medir los índices de refracción del jugo de las frutas sobre el terreno existen refractómetros portátiles. Funcionan sin alimentación, directamente con la luz natural. Estos instrumentos son calibrados de tal manera que indican 0 para el agua destilada, y directamente la concentración en azúcar de los jugos de las frutas analizadas. El jugo a analizar se deposita sobre el prisma, se cierra la tapa y el instrumento se dirige hacia la luz. Basta entonces con realizar una lectura directa. Una compensación automática de temperatura permite eliminar la variación de este factor, corriente sobre el terreno. La compensación es de 0,00045 unidades de índice de refracción por grado celsius alrededor de 20°C.[4]

Existen asimismo refractómetros digitales modernos que funcionan de forma automática y muestran el resultado en una pantalla. Este es más preciso y menos propenso a fallos humanos que una medición manual. Los resultados pueden ser transferidos directamente para la elaboración automática a un ordenador o una red a través de un interfaz estándar.

Substratos analizables[editar]

Los métodos de análisis modernos son mucho más eficaces que la refractometría. Ésta sólo es pertinente en ausencia de disponibilidad de estos métodos modernos, por ejemplo sobre el terreno, para comprender ciertas etapas de la historia de las ciencias, o también a título pedagógico.

Identificación de elementos químicos[editar]

El índice de refracción es una característica físico-química tabulada para numerosos elementos químicos. Esta técnica se utiliza para identificar un producto puro.

Frutas[editar]

En viticultura, la cantidad de azúcar en el jugo de uva es determinable por refractometría. Puede convertirse directamente en grados de alcohol después de la fermentación total. Esta técnica es extensible a la estimación del contenido de azúcar de numerosas frutas y al estudio de su maduración.

Refractómetro para el análisis de gemas

Minerales[editar]

El índice de refracción de una piedra fina, como las gemas, es un dato pertinente. Es necesario que la piedra tenga al menos una cara plana y pulida. El refractómetro de Abbe concebido para los líquidos debe ser un adaptado

Otros usos[editar]

  • La técnica de refractometría directa puede utilizarse en oftalmología.[5]
  • En el pasado, ha demostrado su eficacia para dosificar numerosos solubles de interés biológico, como la albúmina en el suero sanguíneo del lactante.[6]
  • El método de Hackermann permitía analizar la leches (tras su tratamiento para aislar el suero)[3] y deducir si era oportuno utilizarla para la elaboración del queso.

Referencias[editar]

  1. a b Culmann P (1901). Nouveaux réfractomètres. J. Phys. Theor. Appl. 10, 691-704 (1901). http://hal.inria.fr/docs/00/24/05/69/PDF/ajp-jphystap_1901_10_691_1.pdf
  2. Véret C. (2000). Réfractométrie et interférométrie en analyse chimique. Technique de l’ingénieur. Traité Analyse et caractérisation. P500-1. http://books.google.fr/books?id=QMaPfYZdv9sC
  3. a b Valencien M & Planchaud M. (1923). Titrage rapide des laits anormaux par la réfractométrie, la catalosimétrie et l’essai à l’acool-alizarine. http://lait.dairy-journal.org/articles/lait/pdf/1923/07/lait_3_1923_7-8_16.pdf
  4. D'après la notice du constructeur de réfractomètres OPTECH.
  5. Chaine G. (2000). Ophtalmologie. Ed. Doin.
  6. Ebd-el-latif Amanatullah (1933). Sur la réfractométie du sérum sanguin chez le nourrisson.
  • Este artículo incluye contenidos traducidos de Réfractométrie, de la Wikipedia en Francés, bajo licencia GFDL y CC-BY-SA 3.0.