- Comment calculer l'indice de réfraction
- Types de réfractomètres
- - Type optique-manuel comme le réfractomètre d'Abbe
- Comment fonctionne le réfractomètre Abbe
- L'angle critique
- Importance de la longueur d'onde
- Avantages et inconvénients
- Réfractomètre Abbe manuel
- Réfractomètres numériques
- Applications
- Références
Le réfractomètre 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. L'indice de réfraction n est précisément défini comme le rapport c / v.
Figure 1. Réfractomètre utilisé pour mesurer la teneur en sucre des fruits. Source: Wikimedia Commons.
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.
Comment calculer l'indice de réfraction
La loi de Snell relie l'indice de réfraction entre deux milieux 1 et 2 comme suit:
Ici n 1 est l'indice de réfraction dans le milieu 1, θ 1 est l'angle d'incidence du rayon sur la surface limite, n 2 est l'indice de réfraction dans le milieu 2 et θ 2 est l'angle de réfraction, dans quelle direction le faisceau transmis continue.
Figure 2. Rayon de lumière frappant deux supports différents. Source: Wikimedia Commons.
L'indice de réfraction des matériaux est constant et est connu dans certaines conditions physiques. Avec cela, l'indice de réfraction d'un autre milieu peut être calculé.
Par exemple, si la lumière passe à travers un prisme de verre dont l'indice est n 1 puis à travers la substance dont on veut connaître l'indice, en mesurant soigneusement l'angle d'incidence et l'angle de réfraction, on obtient:
Types de réfractomètres
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 comme le réfractomètre Abbe.
-Réfractomètres numériques.
- Type optique-manuel comme le réfractomètre d'Abbe
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 consiste essentiellement en:
-Une lampe comme source de lumière, généralement de la vapeur de sodium, dont la longueur d'onde est connue. Il existe des modèles qui utilisent une 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.
-Un prisme d'illumination et un autre prisme de réfraction, entre lesquels est placé l'échantillon dont l'indice doit être mesuré.
-Thermomètre, car l'indice de réfraction dépend de la température.
-Mécanismes de réglage 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.
Figure 3. A gauche un réfractomètre Abbe et à droite un schéma de fonctionnement de base. Source: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Comment fonctionne le réfractomètre Abbe
La procédure est la suivante: l'échantillon est placé entre le prisme de réfraction -qui est fixe- et le prisme d'illumination -gras-.
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 ce que vous voulez, c'est que les deux champs aient la même taille.
Pour cela, il y a une marque d'aide sur l'oculaire, qui varie en fonction de la conception, mais il peut s'agir d'une croix ou d'un autre type de signal, qui sert à centrer les champs.
En faisant 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.
L'angle critique
Dans la figure suivante, nous voyons que l'angle critique θ c est celui auquel 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 θ 2 = sin 90º = 1, ce qui conduit directement à l'indice de réfraction dans le milieu 2:
Figure 4. Angle critique. Source: F. Zapata.
Eh bien, l'angle critique est obtenu précisément en assimilant la taille des champs de lumière et d'ombre qui sont vus à travers l'oculaire, à travers lequel une échelle graduée est également observée.
L'échelle est généralement calibrée pour une 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:
Figure 5. L'échelle d'un réfractomètre est calibrée pour donner directement l'indice de réfraction. Source: réfractométrie. Université d'État de l'Oregon.
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, l'indice de réfraction est de 1,46068.
Importance de la longueur d'onde
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 la lumière et l'obscurité de l'image, certains modèles ajoutent des prismes de compensation d'Amici.
Avantages et inconvénients
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 mentionné ci-dessus, en plus de la pression et de la concentration de la solution réfractive. Tous ces paramètres doivent être soigneusement surveillés 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:
Réfractomètre Abbe manuel
-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.
Réfractomètres numériques
-Ils sont faciles à lire, puisque la mesure apparaît directement sur un écran.
-Ils utilisent 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.
-Il est possible de programmer différentes échelles.
-Ne nécessite 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, 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.
Applications
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.
Figure 6. Laboratoire de technologie alimentaire. Source: Piqsels.
-Il est utilisé dans l'industrie alimentaire pour connaître la teneur en sucre des boissons sucrées, des confitures, du lait et de ses dérivés et des diverses sauces.
-Ils sont également nécessaires dans le contrôle de la qualité des vins et des bières, pour déterminer la teneur en sucre et 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.
Références
- Techniques de laboratoire de chimie. Réfractométrie. Récupéré de: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Réfractométrie. Récupéré de: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Comparaison de différentes techniques de mesure de densité et de réfractométrie. Récupéré de: mt.com.
- Net InterLab. Qu'est-ce qu'un réfractomètre et à quoi sert-il? Récupéré de: net-interlab.es.
- Université d'État de l'Oregon. Principes de la réfractométrie. Récupéré de: sites.science.oregonstate.edu.