Determinarea indicelui de refracie al unui lichid prin metode refractometrice

Determinarea indicelui de refracie al unui lichid prin metode refractometrice

1. Noiuni introductive

Fenomenul de schimbare brusc a direciei de propagare a unei raze de lumin, atunci cnd strbate limita de separare dintre dou medii cu densiti diferite, se numete refracie.

Legile ce stau la baza fenomenului de refracie sunt:

1) Raza incident, raza refractat i normala la suprafa n punctul de inciden sunt coplanare (Figura 1);

Figura 1. Refracia unei raze de lumin la limita de separaie dintre dou medii diferite

2) Raportul dintre sinusul unghiului de inciden i sinusul unghiului de refracie este o constant:

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

(1)

Constanta n21 reprezint indicele de refracie relativ al mediului mai refringent (2) n raport cu mediul mai puin refringent (1).

Din punct de vedere optic, se consider mai dens, acel mediu n care lumina se propag cu vitez mai mic. Valoarea indicelui de refracie relativ a dou medii este egal cu raportul vitezelor de propagare a luminii n cele dou medii:

(2)

Indicele de refracie al unui mediu n raport cu vidul (n vid lumina avnd vitez maxim) poart denumirea de indice de refracie absolut:

(3)

In consecin, indicele de refracie relativ a dou medii este dat de raportul indicilor de refracie absolui ai mediilor respective.

Deoarece densitatea optic a aerului este foarte apropiat de cea a vidului, indicele de refracie relativ al unui mediu fa de aer este practic egal cu indicele de refracie absolut (indicele de refracie absolut al aerului este n = 1,00027).

Valoarea indicelui de refracie al unei substane depinde de urmtorii parametrii:

temperatur (msurtorile se efectueaz, de obicei, la 20C);

lungimea de und a radiaiei utilizate; indicele de refracie scade odat cu creterea lungimii de und. De aceea, valoarea indicelui de refracie trebuie nsoit i de valoarea lungimii de und la care s-a efectuat msurtoarea. Se pot folosi: radiaia galben a sodiului (numit linia D); radiaia roie (notat C); radiaia albastr (F); radiaia violet a hidrogenului (G) etc. Indicele de refracie va purta, ca indice inferior, litera corespunztoare radiaiei folosite.

presiune (n special n cazul gazelor);

starea de agregare a substanei.

Din aceast cauz, este necesar ca, la indicarea valorii indicelui de refracie al unei substane s fie date i condiiile n care s-au efectuat msurtorile.

Deoarece indicele de refracie depinde de mai muli factori, s-a definit o alt mrime care s caracterizeze substana, indiferent de condiiile fizice n care se fac msurtorile. S-a introdus astfel, refracia molecular R, mrime fizic caracteristic fiecrei substane refringente. Fizicienii H. Lorentz i L. Lorentz au dedus expresia acestei mrimi fizice ca fiind:

(4)

unde M este masa molecular a substanei, iar ( este densitatea acesteia.

Refracia molecular este o mrime aditiv, cu alte cuvinte refracia molecular a unui amestec de substane este egal cu suma refraciilor moleculare ale componentelor sistemului, dac acestea nu interacioneaz chimic ntre ele.

Refracia atomic RA caracterizeaz atomul aflat ntr-un anumit tip de legtur chimic i depinde de numrul de ordine Z i de configuraia orbitalilor de valen. Relaia de definiie a acestei mrimi fizice este:

(5)

unde A este masa atomic.

Cunoaterea valorii refraciei atomice ajut la stabilirea structurii moleculare. In Tabelul 1 sunt redate cteva valori ale refraciilor unor atomi.

Tabelul 1. Refracii atomice ale unor atomi cu diferite legturi chimice, determinate pentru lungimea de und a sodiului ((D = 589.3 nm)AtomulRALegtura RA

> C C =

C

H 2.418

3.284

3.617

1.1Cl (C)

O = (C)

(C) O (H)

(C) O (C)5.967

2.221

1.525

1.643

In cazul soluiilor, valoarea indicelui de refracie depinde de natura solventului i de concentraia soluiei.

Fiind o constant de material, indicele de refracie se utilizeaz n practica farmaceutic pentru identificarea unor substane i pentru determinarea gradului de puritate al acestora. In medicin, metodele refractometrice se folosesc pentru determinarea concentraiei proteinelor din serul sanguin.

2. Determinarea indicelui de refracie

2.1. Noiuni teoretice

Aparatele utilizate pentru msurarea indicelui de refracie poart denumirea de refractometre. In construcia acestora, este folosit fenomenul de reflexie total a luminii.

In conformitate cu legea a doua a refraciei, o raz de lumin care trece dintr-un mediu mai dens ntr-unul mai puin dens, se deprteaz de normal (Figura 2.a). La creterea unghiului de inciden, are loc o cretere a unghiului de refracie, n proporie mai mare dect cel de inciden. Astfel, pentru o anumit valoare l a unghiului de inciden, denumit unghi limit, unghiul de refracie atinge valoarea de 90(. Razele ce cad pe suprafa sub un unghi de inciden mai mare dect unghiul limit sufer fenomenul de reflexie total, ntorcndu-se n mediul optic mai dens.

Dac razele de lumin se propag dintr-un mediu mai puin dens spre un mediu optic mai dens (Figura 2.b), se constat c unghiul maxim format de raze n mediul mai dens are valoarea l a unghiului limit corespunztor celor dou medii. Peste acest unghi, n mediul doi, nu mai ptrund raze luminoase. Dac ntr-un punct al suprafeei de separaie cad raze de lumin din toate direciile posibile, atunci n mediul mai dens se vor propaga raze sub forma unui con cu vrful n punctul considerat, avnd o deschidere egal cu 2(l.

a

b

Figura 2. Reprezentarea schematic a refraciei pentru cazul n care: a) razele de lumin se propag dintr-un mediu optic mai dens ntr-unul mai puin dens; b) razele de lumin se propag dintr-un mediu optic mai puin dens ntr-unul mai dens

Scriind legea a doua a refraciei n cazul unghiului de inciden limit, se obine:

sau (6)

Din aceast relaie, se observ c valoarea unghiului limit depinde doar de indicele de refracie relativ al celor dou medii.

Refractometrele construite pe baza acestui fenomen permit determinarea indicelui de refracie al unei substane, msurnd valoarea unghiului limit.2.2. Refractometrul Abb

Refractometrul Abb este unul dintre cele mai des utilizate aparate pentru msurarea indicelui de refracie al substanelor aflate n stare lichid, cu precizie de pn la a patra zecimal. Prile componente principale ale refractometrului Abb (Figura 3) sunt urmtoarele:

blocul de prisme (1 i 2);

luneta de observaie (3);

compensatorul cu rozet (7);

luneta de citire (4).

Figura 3. Reprezentarea schematic a refractometrului Abb

a) Blocul de prisme reprezint partea component principal a refractometrului Abb. Acesta este alctuit dintr-o prism de msur 1 i o prism de iluminare 2, confecionate din sticl flint cu indicele de refracie n=1,75. Unite dup feele ipotenuz (care nu se ating), prismele formeaz un bloc paralelipipedic (Figura 4). Fiecare prism este fixat ntr-o carcas metalic, prin care circul un curent de ap, furnizat de un termostat. Blocul de prisme poate fi rotit n jurul unui ax orizontal, cu ajutorul tamburului 5. Prisma de iluminare poate fi rotit i separat, n jurul muchiei M, acionnd butonul 8.

Lichidul de studiat se introduce n spaiul liber dintre feele ipotenuz ale celor dou prisme.

In faa prismei de iluminare, este fixat o surs de lumin S. Faa ipotenuz a acestei prisme, fiind mat, difuzeaz lumina, care o strbate n toate direciile. Razele de lumin strbat stratul de lichid i ptrund n prisma de msur.

Datorit reflexiei totale, razele ce ptrund n prisma de msur vor face, cu normala la faa ipotenuz a acesteia, un unghi cel mult egal cu unghiul limit. In consecin, din fiecare punct al feei ipotenuz a prismei de msur, vor pleca raze de lumin, aflate n interiorul unui con cu deschiderea 2(l, avnd axa perpendicular pe faa ipotenuz, n punctul considerat.

b) Luneta de observaie este alctuit dintr-un sistem de lentile convergente, avnd rolul de a capta razele emergente din prisma de msur. Luneta fiind reglat pentru infinit, toate razele paralele cu o direcie dat se vor ntlni ntr-un punct din planul focal al obiectivului lunetei. In cmpul vizual al lunetei, se distinge o zon luminoas i o zon ntunecat.

Limita de separaie dintre cele dou zone corespunde razelor cu nclinare maxim fa de normala la suprafaa prismei. Acest limit de separaie poate fi deplasat, rotind blocul de prisme.

In ocularul lunetei, se afl dou fire reticulare, care se intersecteaz n centrul cmpului vizual (Figura 3.b).

c) Compensatorul este intercalat ntre blocul de prisme i luneta de observaie, fiind alctuit din dou prisme Amici, identice. Compensatorul are rolul de a recombina lumina dispersat n prisma de msur, obinndu-se astfel o limit de separaie net ntre zona ntunecat i cea luminoas. Compensatorul se regleaz n poziia corect, manevrnd rozeta 7 (Figura 3).

Compensatorul este asfel confecionat nct dac, pentru iluminare, se folosete lumin alb, se obine valoarea indicelui de refracie corespunztore liniei galbene a sodiului.

d) Luneta de citire este legat solidar cu luneta de observaie i servete pentru citirea valorii indicelui de refracie al substanei studiate. In cmpul vizual al lunetei, se afl un fir reticular, orizontal, n faa cruia se deplaseaz o scal gradat direct n valori ale indicelui de refracie (Figura 3.a). Iluminarea scalei se realizeaz cu ajutorul unei prisme cu reflexie total (9). Scala gradat se deplaseaz sincron cu blocul de prisme, manevrnd tamburul 5.

2.3. Determinarea indicelui de refracie pentru soluii de NaCl de concentraii diferite

Inainte de efectuarea determinrilor indicilor de refracie ai soluiilor de analizat, trebuie verificat dac aparatul este reglat corect. Pentru aceasta, se utilizeaz ap distilat, al crei indice de refracie, la 20(C, trebuie s fie 1,3331. In caz contrar, se va calcula corecia corespunztoare sau se va regla aparatul.

Se manevreaz corpul lunetelor spre nainte (n sensul sgeii), pn la refuz. Acionnd butonul 8, se separ corpul celor dou prisme. In aceast situaie, suprafaa mat a prismei de iluminare se afl n poziie orizontal.

Feele celor dou prisme se cur cu o bucat de tifon, umezit cu alcool. Pe suprafaa mat, se depun, cu o pipet, cteva picturi din lichidul de analizat.

Meninnd faa mat a prismei de iluminare n poziie orizontal, se nchide corpul prismelor i se fixeaz sistemul optic n poziia de lucru (fest).

Se orienteaz oglinda 10 astfel nct prismele s primeasc o cantitate maxim de lumin.

Privind n ocularul lunetei, se regleaz poziia acestuia astfel nct imaginea obinut s fie clar. Se rotete tamburul 5, pn ce limita de separaie dintre cele dou zone ale cmpului vizual se afl la intersecia firelor reticulare.

Se manevreaz rozeta compensatorului, pn ce dispare coloraia limitei de separaie.

In continuare, se privete n luneta de citire. Se regleaz poziia prismei (9) pentru iluminare maxim a cmpului vizual. Rotind ocularul lunetei, se obine imaginea clar a scalei gradate. In dreptul firului orizontal, se citete valoarea indicelui de refracie, cu trei zecimale. A patra zecimal se aprroximeaz n funcie de poziia firului reticular ntre dou diviziuni succesive.

Se va msura indicele de refracie pentru patru soluii de NaCl, cu concentraii de 1, 2, 3, i, respectiv, 4%. Pentru fiecare substan, se efectueaz cel puin trei determinri, calculnd valoarea medie a citirilor efectuate. Rezultatele obinute vor fi prezentate sub forma unui tabel, urmnd ca n final s se reprezinte grafic dependena n = f(c).

Dup fiecare determinare, suprafeele prismelor se terg bine cu ap distilat i apoi cu alcool.

Determinarea indicelui de refracie

cNaCl (%)n

(n

0-

-

---

-

--

1-

-

---

-

--

2

-

-

---

-

--

3-

-

---

-

--

4-

-

---

-

--

3. Determinarea refraciei molare

In Tabelul 2 sunt prezentate masele moleculare i densitile ctorva substane uzuale ntlnite n laborator i n practica farmaceutic. Se va calcula refracia molar (formula (4)), determinnd n prealabil indicii de refracie corespunztori, cu ajutorul refractometrului Abb.

Tabelul 2. Masa molecular i densitatea pentru diferite substane

Substana( (g/cm3)M (u.a.m.)

CH3 - COOH1.04960.03

CH3 - COO CH30.79258.05

C6H60.87978.05

C6H5 CH30.8792.13

C2H5 - OH0.78946.05

CHCl31.48119.38

CH3 - OH0.79232.05

H2O118

Determinarea refraciei molare

SubstananDRM

H2O

4. Aplicaii n controlul medicamentelor

4.1. Identificarea i caracterizarea soluiilor i produselor medicamentoase

Produsele medicamentoase (simple sau complexe), aflate n stare lichid, pot fi caracterizate cu ajutorul valorilor indicilor de refracie. In acelai timp, indicele de refracie poate oferi informaii asupra gradului de puritate a unei anumite substane, cantiti mici de impuriti prezente ntr-un anumit produs determinnd modificri importante ale valorii indicelui de refracie. In Tabelul 3, sunt prezentate valorile indicilor de refracie ai ctorva solveni i produse farmaceutice, larg utilizate.

Tabelul 3. Indicele de refracie corespunztor anumitor solveni i produse farmaceutice, determinat la t = 20(C i (D = 5893 SubstananD

Aetheroleum Eucalypti 1,4580 - 1,4700

Aetheroleum Lavandulae1,4580 - 1,4640

Aetheroleum Menthae1,4600 - 1,4710

Aetheroleum Pini montanae1,4750 - 1,4780

Aetheroleum Thymi1,4900 - 1,5000

Aceton 1,3589

Acid acetic1,3718

Benzen1,5014

Salicilat de metil1,5369

Sirupus belladonae1,4416 - 1,4496

Sirupus Codeini 0,2%1,4490 - 1,4570

Sirupus Simplex1,4464 - 1,4532

4.2. Determinri cantitative

Trasnd curba de variaie n=f(c) pentru o serie de soluii etalon ale unei anumite substane farmaceutice, se poate determina valoarea unei concentraii necunoscute corespunztoare aceleiai substane, dup ce n prealabil se determin indicele de refracie al acelei soluii.

4.3. Determinri de structur

Refracia molecular R (calculat cu ajutorul formulei (4)) poate oferi informaii asupra structurii substanelor, deoarece valorile acesteia depind de particularitile de structur (natura legturilor) (Tabelul 4).

Tabelul 4. Valorile refraciei moleculare R, determinate la (=5893 , pentru cteva legturi structurale

Legtura R (cm3)LegturaR (cm3)

CH

CC

C=C

C=O

CS

C=S

CN

C=N

CC (ciclopropan)

CC (ciclohexan)1,676

1,296

4,170

3,320

4,610

11,910

1,570

3,760

1,490

1,270CC (aromatic)

CCl

CO (alcool, eter)

CO (ester)

OH

NH

N=N

NN

N=O2,688

6,510

1,540

1,460

1,660

1,760

4,120

1,990

4,000

5. Determinarea concentraiei proteinelor din serul sanguin

Lichidele biologice, soluii apoase complexe, n care se gsesc numeroi ioni (n special, radicali proteici), sunt caracterizate de valori ale indicelui de refracie mai mari dect cel corespunztor apei. In mod normal, indicele de refracie al serului sanguin este cuprins ntre 1,3487 i 1,3517, n timp ce pentru urin indicele de refracie variaz ntre 1,33 i 1,34. Valorile normale sunt raportate la temperatura de 17,5(C. In cazul apariiei anumitor afeciuni ale organismului, valoarea indicilor de refracie caracteristici lichidelor biologice se pot modifica semnificativ, oferind informaii asupra afeciunilor intervenite. Astfel, de exemplu, n cazul ocului anafilactic, indicele de refracie al serului sanguin nregistreaz, n primele ore, o scdere dup care revine la valorile normale. Pe baza determinrii valorilor indicilor de refracie ai lichidelor biologice, se poate aprecia coninutul n proteine (proteinemia) al acestora. Modul de conversie a valorilor indicilor de refracie n valori ale coninutului n proteine (exprimat n g/100 ml) este prezentat n Tabelul 5. Determinarea indicilor de refracie ai lichidelor biologice reprezint, n consecin, o metod de a obine informaii preliminare asupra gradului de sntate a pacienilor.

Tabelul 5. Coninutul de proteine (proteinemia), evaluat pe baza valorilor indicelui de refracie corespunztor temperaturii de 17,5(CIndicele de refracie, nConinutul de proteine n ser sanguin (g/100 ml)Coninutul de proteine n saliv, urin (g/100 ml)

1,337056,27,7

1,337438,69,7

1,3378110,811,8

1,3382013,013,0

1,3385815,215,9

1,3389617,417,0

1,3393419,620,1

1,3397221,822,1

1,3401024,024,2

1,3408628,428,3

1,3412430,630,4

1,3416232,832,4

1,3419935,034,5

1,3423737,236,5

1,3427539,438,6

1,3431341,640,7

1,3435043,842,7

1,3438846,044,8

1,3442648,144,8

1,3446350,346,8

1,3450052,548,9

1,3453754,751,0

1,3457556,855,0

1,3461259,057,0

1,3465061,259,0

1,3468763,461,1

1,3472465,563,1

1,3476167,765,1

1,3479869,867,1

1,3483672,069,1

1,3487374,271,2

1,3491076,973,2

1,3494778,575,2

1,3498480,677,2

1,3502182,879,2

1,3505884,981,2

1,3509587,183,2

1,3513289,285,2

1,3516991,487,2

1,3520593,589,2

Pentru determinarea indicelui de refracie al serului sanguin se va utiliza refractometrul Abb, modul de lucru fiind acelai cu cel descris anterior. Pentru fiecare prob de ser sanguin se vor efectua cte trei determinri, valoarea folosit pentru calculul proteinemiei fiind media celor trei valori individuale. Rezultatele obinute vor fi trecute ntr-un tabel de date experimentale, apreciindu-se n final coninutul n proteine.

Determinarea indicelui de refracie al serului sanguin, precum i al coninutului n proteine

ProbaIndicele de refracieProteine (g/100 ml)

valoarea 1valoarea 2valoarea 3media

1-----

2-----

3-----

De reinut!

Valoarea indicelui de refracie al unei substane depinde de urmtorii parametrii:

temperatur (msurtorile se efectueaz, de obicei, la 20C)

lungimea de und a radiaiei utilizate; indicele de refracie va purta, ca indice inferior, litera corespunztoare radiaiei folosite

presiune (n special n cazul gazelor)

starea de agregare a substanei

Valoarea indicelui de refracie al unei substane va fi nsoit de parametrii fizici n care s-au efectuat msurtorile.

In cazul soluiilor, valoarea indicelui de refracie depinde de:

natura solventului

concentraia soluiei

n practica farmaceutic, indicele de refracie se utilizeaz pentru:

identificarea unor substane

determinarea gradului de puritate al preparatelor farmaceutice determinri de concentraier

i

n2

n1

l

Figura 4. Reprezentarea schematic a blocului de prisme

EMBED Equation.3

1,3330

1,3340

c (%)

PAGE 14

_1109069586.unknown

_1109152089.unknown

_1190097181.unknown

_1190097228.unknown

_1190097997.unknown

_1109421356.unknown

_1115110588.unknown

_1109421741.unknown

_1109421355.unknown

_1109069912.unknown

_1109069940.unknown

_1109069901.unknown

_1109069343.unknown

_1109069350.unknown

_1109069333.unknown