Aplicatii ale identificarii indicelui de refractie

Aplicatii ale identificarii indicelui de refractie

Studenti : Florea Marian Juratu MihaelaAn II , Grupa 10Universitatea Ovidius Constanta, Facultatea de Farmacie

CUPRINS

METODA REFRACTOMETRICA DE ANALIZA pg3

UNGHIUL CRITIC ...pg5

REFRACTOMETRUL ABB pg6

REFRACTOMETRUL ABB pg7

BIBLIOGRAFIE ..pg8

METODA REFRACTOMETRICA DE ANALIZA

Refractometria este o metoda de testare fizica a proprietatilor unei substante prin masurarea indicelui de refractie. Indicele de refractie este masurat cu ajutorul refractometrelor. Indicele de refractie poate fi folosit pentru identificarea unei anumite substante sau pentru verificarea puritatii substantelor. Refractometria se bazeaza pe fenomenul de refractie. Refractia reprezinta schimbarea directiei de propagare a undelor (indiferent de natura lor, mecanica sau electromagnetica) la limita dintre doua medii cu proprietati diferite. Refractia depinde de lungimea de unda si de proprietatile fizico-chimice ale mediilor pe care le traverseaza unda.

In ceea ce priveste radiatia electromagnetica, viteza de propagare a acesteia depinde de proprietatile mediului, in vid aceasta propagandu-se cu 299.792.458 m/s. In cazul in care mediul este acelasi, prin modificarea unor proprietati ale acestuia (densitatea), viteza luminii poate sa sufere modificari. Cresterea densitatii mediului de propagare (compresia gazelor, cresterea concentratiei unei substante intr-o solutie) conduce, de regula, la micsorarea vitezei luminii. In cazul in care se compara medii diferite, aceasta dependenta dintre viteza luminii si densitate nu este intotdeauna valabila. De exemplu, in cea mai densa sticla cunoscuta ( = 8,0 g/cm3) viteza luminii are valoarea de aproximativ 158106 m/s, in timp ce in diamant ( = 3,5 g/cm3) este de aproximativ 124106 m/s. Deci, in ciuda faptului ca, sticla are o densitate mai mare, viteza luminii este mai putin atenuata fata de diamantul cu densitate mai mica. Refractia luminii este o consecinta a principiului formulat de Pierre de Fermat care afirma ca lumina urmeaza intotdeauna acele cai care ii permit sa parcurga distanta, dintr-un punct in altul, in cel mai scurt timp. Dar, din punct de vedere cantitativ, refractia a fost descrisa de legea lui Snellius. Acesta a masurat si a catalogat unghiuri de incidenta si de refractie pentru multe substante, ceea ce i-a permis sa gaseasca o ecuatie care sa descrie fenomenul de refractie la limita de separatie dintre cele doua medii implicate:

(1)

Aceasta ecuatie, insa, necesita pentru fiecare pereche de substante, valori experimentale care sa descrie proprietatile de refractie la limita de separatie (notata n1,2). Analizand datele, Snellius a constatat ca daca se cunoaste caracteristica constantei pentru limita de separatie a substantelor A si B (nA,B) si pe cea a limitei dintre substantele B si C (nB,C), atunci se poate calcula caracteristica constantei pentru limita de separatie dintre A si C (nA,C) dupa urmatoarea relatie: (2)

Aceasta inseamna ca nu este necesara o constanta specifica pentru fiecare pereche de substante, ci, mai degraba, face posibila atribuirea unui singur numar pentru fiecare substanta, numit indice de refractie, acesta putand fi folosit pentru calculul caracteristicii oricarei limite. Forma finala a ecuatiei ce descrie fenomenul de refractie a fost definitivata dupa rezolvarea unui ultim impediment ce necesita alegerea unei substante drept referinta, careia sa i se atribuie o valoare arbitrara. Pentru aceasta s-a ales vidul caruia i s-a atribuit valoarea 1. Aceasta inseamna ca toate celelalte valori sunt intotdeauna mai mari decat 1. Este cunoscut faptul ca exista structuri artificiale care manifesta un unghi de refractie negativ la anumite lungimi de unda, cu alte cuvinte, pot intrerupe reflexiile undelor cu o anumita frecventa pe un obiect facandu-l practic invizibil. Acestea sunt cunoscute sub numele de metamateriale. Rezultate promitatoare au fost obtinute deocamdata doar la frecvente din domeniul microundelor.

(3)

n1 si n2 sunt indici de refractie ce pot fi preluati din tabele si utilizati in calcule. Legea lui Snellius nu se limiteaza la descrierea refractiei doar in cazul luminii, ci descrie fonemul pentru orice tip de unda care se propaga prin orice mediu. La vremea respectiva, Snellius nu a realizat ca indicele de refractie nu masoara in realitate refractia, ci mai degraba, viteza relativa a luminii care traverseaza cele doua medii. Luand in considerare ca vidul are valoarea de referinta 1 se poate scrie o definitie pentru indicele de refractie a unei substante folosind viteza luminii.

Unde c reprezinta viteza luminii in vid si este viteza luminii intr-o anumita substanta. Acesta este cunoscut sub numele de indice de refractie absolut si care este opusul indicelui de refractie relativ (viteza luminii intre doua medii, altele decat vidul). In marea majoritate a cazurilor (substantelor), indicele de refractie nu depinde de directia de propagare sau/si de polarizare. Sunt insa si cazuri cand se intalneste un fenomen de dubla refractie numit birefringenta. Birefringenta este o proprietate optica a unor materiale da a avea un indice de refractie dependent de polarizare si de directia de propagare a unei unde. O raza de lumina care intalneste un obstacol cu caracter birefringent se separa in doua raze polarizate. Indicele de refractie este dependent atat de temperatura cat si de lungimea de unda. Astfel, prin combinarea indicelui de refractie cu densitatea substantei este posibila definirea unei cantitati care este dependenta de temperatura. Aceasta se numeste refractie specifica.

Unde r reprezinta refractia specifica, reprezinta densitatea, n este indicele de refractie. Intrucat indicele de refractie este dependent si de lungimea de unda, valorile indicate de obicei in tabele contin informatii despre lungimea de unda folosita pentru masuratoare. Cel mai adesea, indicele de refractie este dat pentru lungimea de unda galben-portocalie a sodiului (589,3 nm).La solutii, indicele de refractie depinde si de concentratia solutiei. Acest fapt poate fi folosit pentru determinarea concentratiei unei solutii de compozitie necunoscuta. In acest scop se determina indicele de refractie al solutiei la diferite concentratii sise traseaza curba n = f(c). Pentru o solutie de concentratie necunoscuta, determinandu-i indicele de refractie si folosind curba n = f(c), ii putem afla concentratia.Folosind indicele de refractie se obtin indicatii despre structura unor substante. Pentru aceasta se foloseste marimea denumita refractie moleculara, definita prin relatia:

unde: M - masa molara, d - densitatea, g/cm3, n - indicele de refractie.RM nu depinde de temperatura, de presiune sau de starea de agregare a substantei. Deci, este o marime care caracterizeaza exclusiv structura moleculei. Empiric s-a gasit ca refractia moleculara este suma refractiilor atomice plus refractiile introduse de unele legaturi nesaturate etc. Valorile gasite empiric pentru refractiile atomice si de legatura se dau in tabel, pentru lungimea de unda a liniei galbene din spectrul Na.

Refractii atomice si de legatura

ComponentaRComponentaR

C2.418N in amina primara2.322

H1.100N in amina secundara2.502

O in carbonil2.211N in amina tertiara2.840

O in hidroxil1.325S in mercaptani7.690

O in eter1.643CN5.459

Cl5.967C=C legatura etilenica1.733

Br8.865C=C legatura acetilenica2.398

De exemplu, dupa aceste reguli, acetona ar trebui sa aiba refractia moleculara:RM = 3RC + 6RH + RO in carbonil = 32.418 + 61.100 + 2.211 = 16.065

UNGHIUL CRITIC

Unghiul critic (limita) reprezinta unghiul incident in care lumina in loc sa se propage de partea cealalta a limitei de separatie se refracta in asa fel incat aceasta se propaga paralel cu limita de separatie dintre cele doua medii. In cazul unor unghiuri de incidenta mai mici, razele traverseaza limita de cealalta parte, iar in cazul unor unghiuri mai mari, lumina se reflecta. Unghiul critic este usor de calculat daca se cunosc indicii de refractie a ambelor medii. In situatia acestui caz particular unghiul de refractie are valoarea de 90. Din acest punct de vedere, constructia refractometrelor se bazeaza pe detectarea unghiului critic, practic, aceste dispozitive masoare unghiul la care apare limita dintre zona intunecata si cea luminata, fenomen produs de unghiul critic.

sin()=1 atunci sin()=

Deoarece indicele de refractie al blocului optic (ng) este cunoscut, cel al probei poate fi calculat folosind relatia:

REFRACTOMETRUL ABB

Acest aparat, conceput in 1869, a fost primul dispozitiv de acest fel oferit spre comercializare (1881). Designul constructiv a fost atat de practic incat dupa 144 de ani este inca folosit si transpus in noi dispozitive ce sunt destinate masurarii indicelui de refractie. Acest refractometru se bazeaza pe masurarea unghiului critic. Proba de analizat este pusa intre doua prisme (de iluminare si de masurare). Lumina patrunde prin prisma de iluminare, se refracta la un unghi critic la baza suprafetei prismei de masurare si cu ajutorul lunetei sa masoara pozitia limitei dintre zona intunecata si cea luminata. Suprafata prismei de iluminare este mata ceea ce permite luminii sa patrunda in proba de analizat sub toate unghiurile posibile, incluzandu-le pe cele paralele cu suprafata. Daca sursa de lumina nu este monocromatica, lumina manifesta dispersie si limita de separare dintre cele doua zone devine cetoasa cu irizatii multicolore, situatie in care nu se pot face masuratori. Pentru a preveni dispersia aparatul foloseste doua prisme de compensare de tip Amici (Giovanni Amici, astronom, 1860) a caror pozitie poate fi ajustata pentru a corecta dispersia si pentru a clarifica limita de separare. Designul original al aparatului folosea doua lunete: - luneta din dreapta este folosita pentru a identifica si clarifica limita de separare. - luneta din stanga este folosita pentru a citi indicele de refractie pe o scala gradata.

Versiunile specializate ale refractometrului au doua scale, una pentru indicele de refractie, cealalta, dupa caz, in procente (concentratie) pentru o anume substantaMasuratorile cu ABB se fac prin pipetarea unei cantitati mici din solutia de analizat intre cele doua prisme. Mai intai, cu ajutorul obiectivului din dreapta se clarifica si se ajusteaza limita de separatie astfel incat sa intersecteze centrul unui reticul, iar cand aceasta operatie este incheiata, cu ajutorul obiectivului din stanga se citeste indicele de refractie sau, dupa caz, concentratia substantei. Refractometrul masoara cu o acuratete de 4 zecimale. Pentru ca citirea sa fie precisa, proba trebuie sa aiba o temperatura constanta, de regula ea se termostateaza. Calibrarea si verificarea aparatului se face cu apa bidistilata ca si proba de referinta la temperatura de 20C. In aceasta situatie indicele de refractie al apei este exact 1,3330.

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL REFRACTOMETRULUI ABB

Refractometrul Abb care va fi folosit pentru determinari, se bazeaza pe urmatoarea observatie: daca se trimit mai multe raze luminoase dintr-un mediu mai putin dens intr-un mediu mai dens astfel incat ele sa fie convergente intr-un punct (Fig. 2), atunci o parte din spatiul in care se afla mediul cel mai dens va fi inaccesibil razelor de lumina.

In zona hasurata din Fig. 2 nu va putea patrunde nici o raza, deci, privind din punctul O aceasta zona va fi intunecata. Unghiu se numeste unghi limita si, deoarece pentru raza 5 vom avea sin = 1 ( - unghi de incidenta), vom avea n= 1/sin . Determinand unghiul limita vom determina indicele de refractie. Pe aceasta metoda se bazeaza in refractometrul Abb.Piesa principala este formata din doua prisme intre care se pune o pelicula de lichid de studiat. Un sistem cu o oglinda si o lentila trimite razele prin prisme si stratul de lichid. Rotind prismele se poate ajunge la atingerea unghiului limita, deci in ocular vom vedea o zona intunecata si una luminata. Aparatul este astfel construit incat, rotind prismele pana cand limita de separatie dintre zona intunecata si cea luminoasa trece prin centrul crucii formata de firele de paianjen din ocular, unghiul de rotatie sa fie egal cu unghiul limita. Acesta este legat prin relatia anterioara de n. Scala care masoara unghiul de rotatie este astfel gradata incat sa indice direct n.Deoarece se lucreaza cu lumina policromatica, linia de separatie dintre zona intunecata si cea luminoasa va fi colorata, intrucat componentele de diferite culori au indici de refractie diferiti si unghiuri limita diferite. Rotind butonul unui monocromator putem recombina lumina si aceste dungi colorate dispar, dispersia luminii fiind astfel compensata.

BIBLIOGRAFIE

Lorentz JNTSCHI Chimie Fizic. Analize Chimice i InstrumentaleEditura AcademicDirect 2004

Kendrick Brent S., Kerwin Bruce A., Chang Byeong S. and Philo John S., Online Size-Exclusion High Performance Liquid Chromatography Light Scattering and Differential Refractometry Methods to Determine Degree of Polymer Conjugation to Proteins and ProteinProtein or ProteinLigand Association States pg. 136-146, Analytical Biochemistry, Volum 299, 15 December, 2001.

7

_1190554010.doc

(

5

5

0

(

4

3

2

Fig. 2

1

(

4

3

2

1

Fig. 1

(

(