Procedeu, metodă, aparat pentru determinarea indicelui de refracție.

Definirea operației.

Refractometria este o metodă pentru determinarea concentrației substanțelor transparente și se

bazează pe legătura ce există între valoarea indicelui de refracție a unui anumite substanțe și

concentrația acesteia în soluție. Indicele de refracție definește și natura materialului.Din cauza

influenței diferiților factori asupra indicelui de refracție motiv pentru care această dependență nu

poate fi folosită într-o analiză calitativă. Refractometria se bazează pe așa numitul fenomen de

refracție care înseamnă modificarea direcției de deplasare unei unde electromagnetice (deci inclusiv

a luminii) ca urmare a modificării vitezei acesteia. Cauza modificării vitezei o constituie

modificarea densități optice (extincție a mediului de propagare). Pentru eliminarea unor confuzii

între termenul refracției cu termenul de difracție trebuie specificat că ultima este definită ca

schimbarea direcției unei unde ca urmare a prezenței unor obstacole (fantă, rețea, margine de lentilă,

oglinzi de captare, etc.).

Scopul lucrării.

Este acela de familiarizarea studenților cu metodele și aparatele de măsurare

refractometrică a concentrațiilor substanțelor lichidelor. Laboratorul dispune de

trei refractometre Abee: unul electronic cu măsurare și compensare automată a

temperaturii, cu afișaj digital, legat la calculator printr-o interfață serială și soft

specific de achiziție și prelucrare a datelor, unul cu termostatarea prismelor și

mai multe refractometre portabile.

Principiul metodei.

Refractometria are la bază fenomenul de frîngere (refracţie) a unei fascicul de

radiaţie luminoasă ,la limita de separaţie între două medii cu indici de refracţie

diferiţi .Unghiul de refractie a unui mediu depinde de natura si de compozitia,

acestuia de aici posibilitatea folosiriin fenomenului de refractie pentru măsurări

de concentratie si pentru determinări de compoziţie. Dacă o radiaţie luminoasă

cade sub un anumit unghi pe o suprafaţă plană de separaţie a două medii

transparente diferite ,ea se reflectă parţial iar parţial pătrunde în al 2- lea

mediu (1) schimbîndu-si direcţia (se refractă). Unghiul radiaţiei incidente se

numeţte unghi de incidenţă (i) iar unghiul radiaţiei refractate ,unghi de refracţie

(r). Din punct de vedere cantitativ aceste fenomene sînt descrise de legile lui

Snellius :

Fig.1. Principiul refracţiei radiaţiilor luminoase

1) Raza reflectată si raza refractată se găsesc în planul de incidentă.

2) Unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidenţă.

3) Între unghiul de incidenţă si unghiul de refracţie este valabilă relaţia :

sini / sinr = n21 = C1 / C2 (1)

unde : n2 - este indicele de refractie relativ al mediului 2 fată de mediul 1

C1 ;C2 - viteza de propagare a radiatiei în mediul 1, respectiv în mediul 2

Indicele de refracție (n) este o noțiune din optică, el arată frângerea

(refracția) direcției liniare de deplasare a luminii la trecerea dintr-un mediu

transparent în alt mediu transparent și se exprimă ca fiind raportul dintre viteza

luminii în vacuum (c0) și viteza (c) a luminii în mediul respectiv:

n = c0 /c

Ca atare întrun material cu indicele de refracție de 1,5 = 3/2 viteza luminii are

2/3 a vitezei ei în vacuum, deci exact 200.000 Km/s. Indicele de refracție nu are

unități de măsură fizice ca atare se exprimă printr-un număr real. Indicele de

refracție se poate exprima și sub forma unui număr complex caz în care el

definește și extincția (densitatea optică). Indicele de refracție depinde de mai

mulți factori din care cel mai important este temperature. La determinări de

precizie valoarea măsurată a indicelui de refracție se corectează cu un factor

de temperatură.

Indicele de refracţie este folosit pentru determinarea purităţii substanţelor

solide lichide sau gazoase. De asemenea mai este folosit pentru determinarea

compoziţiei amestecurilor binare

cunoscute. La solide o anumită temperatură şi lungime de undă a radiatiei

pentru solide lichide şi

gaze. Indicele de refracţie este o constantă iar la gaze si în funcţie de anumite

condiţii de presiune.

Valoarea indicelui de refracţie pentru lichide organice se întinde de la 1,2 la 1,8

iar cel al solidelor

organice de la 1,3 la 2,5. Modificarea refracţiei cu lungimea de undă poartă

denumirea de dispersie .

Din acest motiv la determinarea indicelui de refracţie lungimea de undă trebuie

să fie specificată.

Drept referinţă se ia indicele de refracţie pentru linia D a sodiului la 20o C.

Pentru a avea o expresie a refracţiei ce nu depinde de temperatură , şi presiune

se foloseşte refracţia specifică (rD) cunoscută în literatura de specialitate şi sub

denumerirea legii Lorenz şi Lorenz:

rD = n2 – 1/n2+2 . 1/ρ (2)

unde:

ρ- densitatea substanţei analizate

n- indicele de refracţie al substanţei analizate

Refracţia specifică reprezintă un important mijloc pentru determinarea

purităţii substanţelor

precum şi pentru determinarea compoziţiei acestora.

Produsul dintre refracţia specifică şi greutatea moleculară poartă denumirea de

refracţie moleculară Atunci cind radiaţia intră din aer in mediul mai dens

indicele de refrecţie ce ar trebui luat în calcul este cel al vacuumului , întrucît

acesta diferă însă cu numai 0,03% de cel al aerului de regulă se ia cel al aerului

nemaifiind nevoie de corecţii. Pentru substanţe transparente valoarea

indicelelui de refracţie descreşte treptat cu creşterea lungimii de undă cu

excepţia regiunilor unde are loc absorbţie de radiaţie unde indicele de refracţie

se modifică brusc. Modificarea refracţiei cu lungimea de undă poartă denumirea

de dispersie. Dat fiind faptul că lungimile de undă unde are loc absorbţie de

radiaţie constituie elemente de identificare a acestora , grupărilor funcţionale şi

a substanţelor, dispersia refractometrică poate fi utilizată şi pentru identificarea

componenţilor . In acest scop se foloseşte aşa numitul număr Abbe (ν ).

ν =nD – 1/nF-nC (3)

unde : nD - indicele de refracţie a substanţei la lungimea de undă a

dubletului sodiului ,

λ=5890/5896Ao

nF - indicele de refracţie a substanţei la lungimea de undă în domeniul

albastru al hidrogenului

, λ=4861Ao

111

nC - indicele de refracţie a substanţei la lungimea de undă în domeniul roşu

al hidrogenului ,

λ=6563Ao

Intr-o serie de compuşi omologi, refracţia specifică a termenilor mai înalţi

creşte destul de uniform cu creşterea lungimii catenei de carbon.

Refractometre

Refractometrele sunt aparate de laborator sau portabile cu ajutorul cărora se

măsoară indicele de refracție a unei soluții ca o măsură a concentrației a unui

anumit component a cărui natură este cunoscută. Transformarea unui anumit

indice de refracție a unei substanțe în concentrație se poate face prin curbe de

etalonare sau direct. În cel din urmă caz scara aparatului este calibrată direct în

unități de concentrație. Asemenea refractometre sunt specializate pentru un

anumit compus, un aparat reprezentativ în acest sens este zaharometrul.

In conditiile în care n < i, mediul 2 este optic mai dens decît mediul 1, si invers

dacă n > i mediul1 este optic mai dens decît mediul 2. In cel din urmă caz

există un unghi de incidentă (i) pentru care r =90o. In aceasta situaţie radiaţia

nu mai intra în mediul 2 ci se propaga la limita celor două medii.Avand în

vedere ca sin 90 o =1 relatia (1) devine:

n21 = sin i (4)

Valoarea unghiului (i) pentru care r = 900 se numeste unghi limită sau unghi

critic. Dacă unghiul (i) creste peste unghiul critic atunci radiatia nu mai

pătrunde în mediul 2 ci se reflectă înapoi în mediul 1. Această constatare are o

importanţă practică deosebită deoarece stabileşte posibilitatea măsurării

indicelui de refractie (n) măsurînd un unghi. Pe acest principiu sînt construite

majoritatea refractometrelor. In fig. 2 este prezentată schema de principiu a

refractometrului Pulfrich, folosit la

măsurarea indicelui de refractie a unei solutii ce se găseşte în cuva (1) ce

formează un corp comun

cu prisma de difractie din sticlă, (2).

Fig. 2. Schema de principiu a refractometrului Pulfrich

1-cuva, 2-prisma de difractie, 3-sursa de lumina , 4-luneta, 5-surub micrometric

Radiaţia luminoasă emisă de sursă (3), (lampă de sodiu) paralel cu planul de

separaţie dintre

prisma de sticlă cu indicele de refracţie (N) cunoscut şi substanţa de analizat cu

indicile de refracţie

(n) necunoscut suferă la limita celor două medii o refracţie. Plecînd de la relaţia

(1) şi avînd în vedere ca raportul dintre viteza de propagare a luminii în vid (C0)

si viteza de propagare a luminii în sticlă (C2) este egală cu indicile de refracţie

absolut al sticlei (N) precum si faptul că raportul dintre viteza de propagare a

luminii în vid C0 si viteza de propagare a luminii în substanţa de analizat (C1)

este egală cu indicele de refracţie absolut al substanţei de analizat se poate

scrie :2 0

1 0

0

C C

C C

sinr

sin90

⋅

⋅

= (5)

sau

n

N

sinr

1

= (6)

de unde:

n=N⋅sin r (7)

N - fiind cunoscut măsurarea se referă la determinarea unghiului de refracţie

(r) cu luneta (4), a cărei deplasare unghiulară se realizează cu un sistem

micrometric (5). Dat fiind faptul că la ieşirea din prisma din sticlă (2) radiaţia

luminoasă mai suferă o difracţie în aer, valoarea unghiului (α ) citit se

corectează cu relaţia :

n = N2 = sin2α (8)

Există refractometre specializate pentru determinarea concentrației unei singure substanțe. La aceste

aparate tamburul gradat este etalonat direct în unități de concentrație. Foarte folosite sunt aparatele

cu scara Brix care apare proiectată direct în vizor. La aceste scări concentrația este redată în

procente raportată la 100 ml soluție. De asemenea, s-au realizat constructiv și refractometre de

imersie la care aparatul se introduce în cuva în care există soluția de analizat permițând o măsurare

mai rapidă. Tot refractrometre de imersie sunt și refractrometrele de măsurare continuă a unui mediu

lichid ce curge printr-o conductă. Evident la aceste aparate evaluaea indicelui de refracție se face

printr-un sistem goniometric automat format dintr-o fotocelulă pentru sesizarea iluminării maxime și

a unui sistem de căutare compus dintr-un motor pas cu pas și un traductor incremental de poziție.

Interferometrul este un refractometru diferențial bazat pe interferența a două raze paralele ce

traversează două cuve în care se găsește proba de analizat, respectiv proba etalon cu indicele de

refracție sau concentarție bine cunoscute. Cu acest procedeu se pot sesiza diferențe mici ale indicelui

de refracție, de ordinul 10-8 unități și prin aceasta se pot atinge precizii mari de măsurare a

concentrației. În figura II.90. este reprazentată schema de principiu a unui interferometru. Sursa (1)

emite o radiație luminoasă coerentă ce este despărțită de un sistem de fante (2),(3),(4) în doup

fascicule paralele ce trec prin cuvele (5),(6) în care se găsesc soluția etalon respectiv cea de analizat.

După recompunerea celor două fascicule de către prisma (7) și urmărirea imaginii cu un ocular (8)

apar franje de intereferență constind dintr-o serie de imagini a celor două fante. Dacă în cele două

cuve (5),(6) se găsesc aceleași medii cu aceeași concentrație atunci franjele de interferență au

aspectul (a). Dacă în una din cuve se păstrează de exemplu solventul și în cealaltă se introduce o

substanță, apar franje de interferență (b) a căror decalare este cu atât mai mare cu cât concentrația

substanței introduse este mai mare. Dacă lungimea cuvei este (/), drumul parcurs de fasciculul

luminos va fi: /·n

Fig.II.90. Schema de principiu a unui interferometru.

1. Sursa de lumină.

2,3,4. Sistem de fante.

5,6. Cuve pentru soluție.

7. Ocular.

8. Tambur gradat.

9. Sticlă plan paralelă.

Deplasarea franjelor de interferență cu o unitate înseamnă un drum egal cu lungimea de undă λ a

radiației utilizate, iar o deplasare cu ,m, unități, corespunde unui drum m λ, rezultă:

/+m λ= /·n

De unde:

n= /+ m λ

/

Rezultă o creștere pronunțată a preciziei cu creșterea lungimii (/) a unei cuve (la /=1000 mm

precizia este de 10-8 unități). Tehnica de determinare a inidicelui de refracție (n) este aceea de a

măsura cu un tambur gradat (9) deplasarea unei sticle planparalele (10), ce restabilește

diferențele de drum dintre razele ce parcurg cuvele (5),(6) prin varierea drumului parcurs prin

placa de sticlă.

Refractometria respectiv interferometria au un câmp larg de aplicație atât în analiză calitativă cât

și în cea cantitativă. Este folosită în special evaluarea gradului de puritate. Aplicațiile se pot

extinde și la sisteme ternare. O altă aplicație importantă este cea de folosire la stabilirea

structurii substanțelor anorganice și organice. Urmărirea schimbării indicelui de refracție în

timpul unei titrări poate servi la determinarea punctului de echivalență.

Un aparat des folosit este refractometrul Abbé. Principial acesta se deosebeste

de refractometrul Pulfrich prin faptul că luneta de observare este fixa şi se

rotesc cu un dispozitiv micrometric prismele, care la aparatele moderne sînt

termostatate pentru a elimina influenţa temperaturii asupra valorii indicelui de

refracţie.

Determinarea concentraţiei cu refractometrul Abbe de masă.

Lucrul cu refractometrul Abbe este destul de uşor nefiind necesară urmărirea cu

ochiul a deplasării tubului optic cu ocular . După curăţirea şi verificarea

prismelor se porneşte sursa de lumină şi se roteşte tamburul indicelui de

refracţie pînă la în jurul valoarii 1,33 ( indicele de refracţie al apei distilate , In

continuare se picură pe prisma de analizat una două picături de apă distilată şi

se închid cele două prisme, se reglează oginda atîta timp pînă cînd

luminozitatea în ocular este maximă. După aceea se roteşte şurubul de reglare

a dispersiei pînă cînd linia de separare între cîmpul luminos şi cel întunecat este

foarte clară (la unele refractometre nu se poate obţine o separare foarte clară

în acest caz este bine de incercat plasarea unei hîrtii albe pe ogindă). In

continuare se roteşte tamburul indicelui de refracţie pînă cînd linia de separaţie

a celor două cîmpuri taie intersecţia linilor în cruce din ocular. Din rotirea

ocularului este posibilă focalizarea pînă cînd cele două linii încrucişate se văd

foarte clar. De pe tambur se citeşte valoarea indicelui de refracţie. Se curăţă

prismele cu o bucată de ţesătură uscată şi moale. In continuare aparatul este

pregătit pentru determinări. Atunci cînd se

urmăresc determinărilor de precizie se fac cinci măsurători, se renunţă la cele

două valori extreme şi

se face media aritmetică a celor trei valori rămase. Dacă se urmăreşte

determinarea concentraţiei

zahărului se foloseşte tabelul 1 pentru conversia indicelui de refracţie în

concentraţie procentuală

de zahăr (se va lucra cu prismele termostatate la temperatura de 20 0 C). Dacă

se urmăreşte

determinarea concentraţiei altei substanţe lichide (ex uleiuri alimentare) se

procedează prima dată

la realizarea unei curbe de etalonare în coordonate Indice de refracţie

( variabilă dependentă) -113

concentraţie substanţă utilă ( variabilă independentă)

Determinarea concentraţiei cu refractometrul Abbe portabil tip IOR.

Pe principiul refracometrului Abbe de masă s-au construit refractometre

portabile simple şi uşor de minuit. Aceste refractometre folosesc o prismă

analizoare şi o placă din material plastic lăptos în locul celei de-a doua prisme.

Şi la acest tip de refractometru se foloseşte tot numai o picătură de substanţă

de analizat iar ca sursă de lumină se foloseşte lumina mediului în care se

lucrează. Aceste refractometre există şi sub formă de refractometre

specializate pentru determinarea concentratiei unei singure substanţe. La

aceste aparate afisarea pe tambur se face atit în indice de refracţie cît şi în

concentraţie exprimată în procente pentru substanţa pentru care a fost

construit aparatul (concentraţie de zahăr, alcool, uleiuri etc) . Foarte folosite

sînt aparatele cu scara Brix la care scara de măsurare şi concentraţia

procentuală apare proiectata direct in vizor. Refractometrul Abbe portabil tip

IOR din dotarea laboratorului este un refractometru cu scară Brix şi este

destinat determinării directe a zahărului în domeniul de concentraţii 0 – 32%

din siropuri, sucuri , compoturi etc . Aparatul poate fi folosit şi pentru

determinarea concentraţiei altor substanţe lichide ce constituie produse

intermediare şi finale în industria alimentară, sau în alte domenii, însă numai cu

folosirea unei curbe de etalonare realizată cu concentraţii cunoscute ale

substanţelor respective. Măsurarea concentraţiei soluţiilor cu ajutorul

refractometrului se bazează pe principiul reflexiei totale a luminii (rază de

lumină incidentă pe suprafaţa de separare sub un unghi limită este reflectată

total). Unghiul limită depinde de indecele de refracţie a lichidului, relaţia fiind

direct proporţională. În ocularul refractometrului este vizibilă scara gradată în

concentraţie procentuală de zahăr , pe care se proiectează linia de separare a

cîmpului luminat de cel întunecat. In figura este prezentată schema

constructivă a acestui aparat:

fig. 1 Refractometru portabil tip IOR

1. prisma de măsurare,

2. placă presoare material plastic mat,

3. obiectiv,

4. scară gradată,

5. ocular

MODUL DE LUCRU

1. - se şterg cu o cîrpă moale suprafaţa de lucru a prismei, ocularul şi placa

presoare se

şterg cu o cîrpă moale.

2. - Cu o vergea de sticlă cu capul bine rotunjit se pun pe prismă una-două

picături din

substanţa de cercetat

3.- Se aplică placa presoare peste suprafaţa prismei şi se apasă cu degetele

pentru a asigura întinderea laminară uniformă a substanţei de analizat

4.- Se îndreaptă refractometrul spre lumină şi se priveşte prin ocular şi se

ajustează prin rotirea

ocularului până se văd clar diviziunile scării gradate. După aceea se citeşte

reperul din dreptul

liniei de separare a câmpului luminat de cel întunecat. Relaţia dintre

concentraţie şi indicele de

refracţie este conform tabelului 1. Acest tabel este util atunci cînd aparatul este

folosit pentru

determinarea concentraţiilor unor substanţe solide , altele decît zahăr.

5.- Se citeşte pe termometru temperatura din camera de lucru. Dacă

temperatura diferă de 20° C ±

0,5 ° C (temperatura la care s-a făcut etalonarea scalei). Citirilor de pe scală li

se aplică corecţii

conform tabelului anexat şi conform următoarelor indicaţii:

- dacă se lucrează sub temperatura de 20° C, se scade pentru fiecare grad

Celsius 0,07 din

valoarea citită pe scală;

-dacă se lucrează peste temperatura de 20° C, se adaugă pentru fiecare grad

Celsius 0,07 la

valoarea citită pe scală.

6.- Pentru determinări mai precise este bine să se repete fiecare determinare

de 3 sau 4 ori,

procedându-se la fel după ce înaintea fiecărei citiri s-au spălat bine faţa prismei

şi a plăcii

presoare cu apă distilată şi s-au uscat cu hârtie de filtru.

7.- După finalizarea determinărilor, se curăţă suparfaţa prismei şi a plăcii

presoare cu apă distilată şi

se usucă cu hârtie de filtru. Se şterge corpul refractometrului de eventualele

prelingeri a

substanţelor de cercetat şi apoi se introduce în tocul de păstrare.

Tabele 2. Tabel de conversie % zahăr scara Btrix- indice de refracție

% zahăr scara Brix

Indicele refracție n

% zahăr scara Brix

Indicele refracție n

% zahăr scara Brix

Indicele refracție n

% zahăr scara Brix

Indicele refracție n

0 0,000 1,33299 8,287 1,3452 16,387 1,3579 24,593 1,37160,149 1,3332 8,484 1,3455 16,573 1,3582 24,767 1,37190,358 1,3335 8,681 1,3458 16,758 1,3585 25 24,998 1,37230,567 1,3338 8,878 1,3461 17 17,004 1,3589 25,172 1,36260,776 1,3341 9 9,078 1,3464 17,180 1,3592 25,345 1,3729

1 0,985 1,3344 9,270 1,3467 17,373 1,3595 25,576 1,37331,193 1,3347 9,466 1,3470 17,557 1,3598 25,806 1,37371,401 1,335 9,661 1,3473 17,741 1,3601 26 26,035 1,37411,609 1,3353 9,856 1,3476 18 17,985 1,3605 26,265 1,37451,816 1,3356 10 10,051 1,3479 18,168 1,3608 26,493 1,3749

2 2,023 1,3359 10,246 1,3482 18,351 1,3611 26,665 1,37522,230 1,3362 10,440 1,3485 18,595 1,3615 26,836 1,37552,436 1,3365 10,634 1,3488 18,837 1,3619 27 27,007 1,37582,642 1,3368 10,828 1,3491 19 19,08 1,3623 27,178 1,37612,848 1,3371 11 11,021 1,3494 19,262 1,3626 27,348 1,3764

3 3,053 1,3374 11,215 1,3497 19,443 1,3629 27,575 1,37683,259 1,3377 11,407 1,3500 19,624 1,3632 27,802 1,37723,463 1,338 11,600 1,3503 19,805 1,3635 28 28,028 1,37763,668 1,3383 11,792 1,3506 20 19,985 1,3638 28,197 1,37793,872 1,3386 12 11,981 1,3509 20,166 1,3641 28,368 1,3782

4 4,076 1,3389 12,179 1,3512 20,346 1,3644 28,535 1,37854,278 1,3392 12,368 1,3515 20,525 1,3647 28,760 1,37894,483 1,3395 12,559 1,3518 20,765 1,3651 29 28,984 1,37934,686 1,3398 12,750 1,3521 21 21,004 1,3655 29,152 1,37984,888 1,3401 13 13,004 1,3525 21,183 1,3658 29,376 1,3800

5 5,091 1,3404 13,194 1,3528 21,361 1,3661 29,544 1,38035,293 1,3407 13,384 1,3531 21,589 1,3665 29,767 1,38075,494 1,341 13,574 1,3534 21,777 1,3668 30 29,989 1,38115,696 1,3413 13,763 1,3537 22 22,014 1,3672 30,156 1,38145,897 1,3416 14 14,016 1,3541 22,192 1,3675 30,323 1,3817

6 6,098 1,3419 14,204 1,3544 22,369 1,3678 30,544 1,38216,298 1,3422 14,393 1,3547 22,546 1,3681 30,766 1,38256,498 1,3425 14,581 1,3550 22,781 1,3685 31 30,987 1,38286,698 1,3428 14,769 1,3553 23 23,017 1,3689 31,152 1,38326,898 1,3431 15 15,019 1,3554 23,193 1,3692 31,372 1,3836

7 7,097 1,3434 15,207 1,3560 23,369 1,3695 31,592 1,38407,292 1,3437 15,394 1,3563 23,544 1,3798 31,812 1,38447,495 1,344 15,581 1,3566 23,778 1,3702 32 32,031 1,38487,693 1,3443 15,767 1,3569 24 24,011 1,37067,891 1,3446 16 15,953 1,3572 24,186 1,3709

8 8.089 1,3449 16,140 1,3575 24,361 1,3712

Determinarea concentraţiei cu ajutorul refractometrului electronic

Abbe Leica MARK II plus. Refractometrul Abbe Leica MARK II plus din dotarea

laboratorului de analiză instrumentală, figura 1, este un refractometru Abbe

electronic cu afişarea digitală a indicelui de refracţie şi compensarea automată a

influenţei temperaturii asupra valorii indicelui de refracţie. De asemenea dispune

de posibilitatea cuplării prismei de lucru la o instalaţie de termostatare în vederea

determinăriilor la temperatură constantă. Aparatul relizează măsurarea ţi afişarea

digitală a temperaturii direct pe prisma de măsurare. De asemenea aparatul

dispune de interfaţă serială, soft specific de achiziţie şi prelucrare a datelor.

Aparatul are trei moduri de măsurare:

1. nD – Indice de refracţie

2. %TC - % substanţă solidă, compensată cu temperatura, exprimate ca zahăr brut

(o Brix)

3. % substanţă solidă - % de substanţă solidă , necompensată cu temperatura,

exprimate ca zahăr brut.

aceste trei modalităţi se aleg prin rotirea comutatorulu (7) în dreptul modului dorit.

Aşa cum este cunoscut indicele de refracţie variază cu temperatura ceea ce duce

la la rezultate diferite atunci cînd aceeaşi probă este măsurată la temperaturi

diferite. De exemplu cînd creşte temperatura unei soluţii de zahăr scade densitatea

soluţiei şi corespunzător şi indicele de refracţie, ceea ce duce la o valoare aparentă

mai mică a valorii concentraţiei atunci cînd modul de măsurare este: % de

substanţă solidă , necompensată cu temperatura , exprimate ca zahăr brut. sau

%TC - % substanţă solidă, compensată cu temperatura, exprimate ca zahăr brut (o

Brix). La modul de măsurare TC cu compensarea temperaturii valoarea măsurată la

o anumită temperatură este corectată automat cu o valoare ce corespunde

măsurării la la 20oC. La modificarea temperaturii cu 1oC valoarea indicelui de

refracţie a unei soluţii de zahăr se schimbă cu cca 0,08% , această valoare medie

este valabilă pentru concentraţii de la 0- la 85% şi la temperaturi de pînă la 45oC.

La creşterea temperaturii scade valoarea măsurată de % substanţă solidă şi invers

la scăderea temperaturii creşte % substanţă solidă. Temperatura unei probe ce se

picură pe prisma refractometrului după cca 1 oră de funcţionare a acestuia preia

temperature prismei adicăă cca 260C. Această creştere de temperatură se

datoreayă in principal radiaţiei de căldură a transformatorului , a părţii electronice

şi a sursei de radiaţie. Folosinduse modul de măsurare TC – compensat în

temperatură aparatul compenseayă automat eroarea de cresterea de temperatură

de 6 0C faţă de temperature etalon de 200 C pe display apărînd valoarea corectată

ca şi cum măsurarea s-ar fi efectuat la 200 C. Fără compensarea temperaturii

măsurarea efectuată asupra unei soluţii de zahăr 70% ar duce la 26 oC la o eroare

de 0,5% (6x0,08%) şi ar indica 69,5% în loc de 70%. Temperatura suprafeţei

prismei poate fi scăzută dacă se cuplează stuţurile de intrare ieşire a acestora la un

termostat. De asemenea cu ajorul

termostatului se poate asigura şi creşteri ale temperaturii prismei pînă la max 80

oC. Asemenea temperaturi sînt uneori necesare pentru a asigura fluidizarea unor

substanţe foarte vîscoase cum este de exemplu siropul de zahăr de înaltă

concentraţie. La folosirea termostatului pentru controlul temperaturii de măsurare

se va folosi cea indicată pe displi şi nu cea indicată de termostat pentru că prima

este cea reală ea fiind măsurată de senzor direct pe prismă de măsurare. in cazul

măsurarii zahărului din sucuri carbogazoase pentru a elimina influenţa bulelor de

gaz asupra măsurătorilornpisma superioară se ridică şi se coboară de citeva ori

provocîndu-se astfel degazarea sucului. Acest refractometru este un aparat optic

de înaltă precizie destinat lucrului îndelungat fără intervenţii şi reparaţii. La

folosirea acestui aparat trebuienrespectate următoarele:

- Prismele sînt din sticlă specială , iar fixarea metalică a ceastora este din oţel

inoxidabil de înaltă calitate cu toate acestea se va evita folosirea unor solvenţi

puternici ca N,N - Dimetilformamidă, N,N Dimetilacetamidă, , Cresol, Fenol, acid

acetic concentrat. Folosirea îndelungată sau la temperaturi ridicate de

tetrahidrofuran precum şi a unor solvenţi puternici pot duce la distrugerea

etanşărilor prismelor. De asemenea se va evita folosirea unor acizi sau baze

puternice.

- La nefolosirea aparatului unitatea de prisme se va ţine inchisă si se va aseza o

pînză moale subţire între cele două prisme . După fiecare utilizare suprafeţele

prismelor se vor spăla cu apă metanol sau cu un solvent adecvat . Pentru

îndepărtarea resturilor de zahăr este recomandată apă distilată călduţă , iar pentru

îndepărtarea probelor uleioase se recomandă ca solvent metanol . Prisma poate fi

stearsă cu o pînză moale . Atunci cînd nu se mai observă resturi pe prismă se mai

face o clătire cu apă distilată.

- Trebuie avut în vedere în mod special ca suprafaţa prismei să nu fie curăţată în

nici un caz de resturi uscate fără solvirea acestora. De asemenea se va evita

folosirea oricărui corp dur cu care s-ar putea zgîria prisma sau prismele.

Mod de lucru la măsurarea refracţiei substanţelor lichide.

Etapele de lucru sunt cele descrise mai jos:

1 Se deschide capacul prismelor (fig) , se scoate pînza de protecţie dintre prisme,

se curăţă prisma de măsurare cu alcool şi după aceea cu apă distilată după care se

şterg cu o pînză uscată, curată, moale dar care nu lasă scame

2. Se alege modul de lucru dorit : %TC - % substanţă solidă, compensată cu

temperatura, exprimate ca zahăr brut (o Brix) sau: nD – Indice de refracţie sau: %

substanţă solidă - % de substanţă solidă , necompensată cu temperatura ,

exprimate ca zahăr brut.

3. Se depune substanţa lichidă de analizat pe suprafaţa prismei de măsurare

folosind în acest scop o pipetă de sticlă după care se inchide capacul prismei şi se

reglează astfel braţul de iluminare încît suprafaţa prismei superioare să fie cît mai

bine şi uniform iluminată.

4. Se roteşte butonul de reglare a dispersiei pînă cînd şurubul de reglare a crucii de

linii indică exact în jos.

5. Se roteşte roata de reglare a poziţiei cîmpului întunecat în sens contrar acelor de

ceasornic pînă cînd linia de separare dintre cîmpul întunecat şi cel luminos se

plasează la baza cîmpului vizual din ocular

6. Prin rotirea ocularului se reglează claritatea crucii de căutare din ocular

7. Prin rotirea roţii de reglare a poziţiei cîmpului întunecat se aduce linia de

separare dintre cîmpul întunecat şi cel luminos pînă aproape de puntul de

intersecţie a liniilor din ocular

8. Se roteşte butonul de corecţie a dispersiei în aşa fel pînă cînd dispare orice

nuanţă roşie sau verde la limita cîmpului de separare întunecat/ luminos. Precizia

de măsurare a aparatului este dependentă puternic de acurateţea liniei de

separare între cîmpul întunecat şi cel luminos ce se observă în ocularul cu

cruce de linii.

9. Cu roata de reglare a poziţiei cîmpului întunecat se deplasează cu precizie linia

de separare între cîmpul întunecat şi cel luminos pînă cînd aceasta cade direct pe

punctul de intersecţie al liniilor crucii de linii din ocular, (fig )

10. Se apasă butonul de măsurare (READ) . Valoarea măsurată pentru soluţia

încercată este afişată digital pe displayul aparatului . Prin apăsarea butonului 119

de temperatură (TEMP) este afişată valoarea temperaturii măsurată de un sensor

încorporat direct în prisma de măsurare. Calibrarea aparatului este posibilă în două

moduri :

- cu apă bi- sau tridistilată

- cu placă de sticlă etalon

Calibrarea aparatului cu apă distilată se face pentru măsurări la lichide. Fazele de

lucru sînt descrise mai jos:

1. Se deschide capacul prismelor (fig) , se scoate pînza de protecţie dintre prisme,

se curăţă prisma de măsurare cu alcool şi după aceea cu apă distilată după care se

şterg cu o pînză uscată, curată, moale dar care nu lasă scame

2. Pe suprafaţa prismei de măsurat se depun cîteva picături de apă distilată şi se

aşteaptă 3-5 minute pînă cînd aceasta atinge o temperatură stabilă . se alege din

butonul de reglare a modului de lucru indicele de refracţie (nD)

3. Ocularul se roteste atîta timp pînă cînd crucea de linii din ocular este foarte

clară.

4. Roata de reglare a poziţiei cîmpului întunecat se roteşte în sensul acelor de

ceasornic atîta timp pînă cînd linia de separare dintre cîmpul întunecat şi cel

luminos aproape atinge puntul de intersecţie a liniilor crucii din ocular. În

continuare se roteşte tamburul de reglare a dispersiei atîta timp pînă cînd se

înlătură orice aură colorată în jurul liniei de separare iar cea din urmă este clară si

precis definită . După aceasta se reglează din rota de reglare a poziţiei cîmpului

întunecat în aşa fel linia de separare încît aceasta să cadă exact pe punctul de

intersecţie al liniilor . Prin apăsarea tastei de afişare (READ) se afişează pe

display valoarea indicelui de refracţie nD, iar prin apăsarea tastei (TEMP) se afişează

temperatura.

5. Dacă aparatul a fost bine calibrat valoarea măsurată este de 1,3330 minus

0,0001 pentru fiecare grad peste 20o C, respectiv plus 0,00001 pentru fiecare grad

sub 20o C . In cazul în care aparatul nu a fost bine calibrat şi este afişată altă

valoare se va lua din tabelul 3 valoarea corectă. Se roteşte rota de reglare a

poziţiei cîmpului întunecat şi se apasă tasta de afişare atîta timp pînă cînd indică

valoarea corectă ( cu ocazia acestei reglări linia de separare a cîmpului întunecat

de cel luminos se îndepărtează de cruce)

Tab. 3 Indicele de refracție (nD) al apei tridistilate la diferite temperature

Temperatura 0C Indicele de refracție (nD)18 1,333219 1,333120 1,333021 1,332922 1,332823 1,332724 1,332625 1,332526 1,332427 1,332328 1,332229 1,332130 1,3319

6. Se introduce cheia imbus din dotarea aparatului în surubul special pentru

reglarea crucii de linii ( fig) şi se roteşte pînă cînd crucea cade exact pe linia de

separare a cîmpului întunecat de cel luminos.

7. Se roteşte butonul pentru modul de l măsurare pe poziţia %-TC şi se apasă tasta

de afişare (READ) . Valoarea indicată trebuie să fie 000,0 sau 0,1 ambele valori sînt

normale . La apariţia unui semn minus urmată de un punct decimal (virgulă) nu

este posibilă afişarea unei valori măsurate. în cel din urmă caz se procedează în

felul următor: Dacă mesajul de eroare menţionat se menţine după repetarea de

cîteva ori a operaţiei de calibrare se roteşte rota de reglare a poziţiei cîmpului

întunecat atîta timp pînă cînd este afişată valoarea 0000.0 sau 0,1. In acest scop

roata nu trebuie deplasată mult . Se aduce din nou crucea exact în dreptul liniei de

separare a cîmpului întunecat de cel luminos. În acest caz pe display ar trebui

trebui să fie afişat 000.0, dacă nu este cazul paşii descrişi se repetă pînă cînd

apare acest afişaj.

Calibrarea aparatului cu placă de sticlă etalon se face cu placă din dotarea

aparatului pe care este inscripţionat indicele de refracţie. Pentru cuplare cu prisma

de lucru este folosită o picătură de 1-bromnaftalină ce se găseşte de asemenea în

dotarea aparatului. Calibrarea se face în felul următor:

1. Se pune butonul de alegere a domeniului de lucru pe poziţia indice de refracţie

(nD)

2. Se depune o picătură de 1-bromnaftalină pe suprafaţa prismei de lucru după

care se aşează peste ea sticla etalon cu faţa ce conţine ibnscripţionarea indicelui

de refracţie în sus . Muchia şlefuită să arate spre becul de iluminare la cca 2mm de

margine. (fig) .

3. Sursa se va regla în aşa fel încît lumina cade direct pe suprafaţa şlefuită a sticlei.

Pentru reducerea iluminării se acoperă de asemenea sursa de lumnă fie cu o

bucată de pînză albă fie cu o bucată de hîrtie.

4. Se poziţionează braţul sursei de lumină , ocularul se roteste atîta timp pînă cînd

crucea de linii din ocular este foarte clară.

5. Roata de reglare a poziţiei cîmpului întunecat se roteşte în sensul acelor de

ceasornic atîta timp pînă cînd linia de separare dintre cîmpul întunecat şi cel

luminos aproape atinge puntul de intersecţie a liniilor crucii din ocular. În

continuare se roteşte tamburul de reglare a dispersiei atîta timp pînă cînd se

inlătură orice aură colorată în jurul liniei de separare iar cea di urmă este clară si

precis definită . După aceasta se reglează din roata de reglare a poziţiei cîmpului

întunecat în aşa fel linia de separare încît aceasta să cadă exact pe punctul de

intersecţie al liniilor .

6. Prin apăsarea tastei de afişare (READ) se afişează pe display valoarea indicelui

de refracţie nD, iar prin apăsarea tastei (TEMP) se afişează temperatura. Dacă

valoarea afişată depăşeşte valoarea inscripţionată pe sticlă cu mai mult de ±

1210,0001 operaţia se va repeta de mai multe ori . Dacă nici în acest caz nu se

reuşeşte se procedează după cum urmează:

7. Se roteşte foarte puţin rota de reglare a poziţiei cîmpului întunecat pentru

reglarea poziţiei liniei de separare dintre cîmpul întunecat şi cel luminos şi se

apasă tasta de măsurare atitea ori pînă cînd valoarea afişată a indicelui de

refracţie corespunde cu valoarea acestuia înscripţionată pe sticlă . Linia de

separare a cîmpurilor se va găsi fie deasupra crucii de linii din ocular fie dedesuptul

acesteia

8. Cu cheia specială hexagonală din dotarea aparatului se roteşte şurubul din

tamburul de reglare a dispersiei (fig), (fig) pînă cînd linia de separare a cîmpului

întunecat de cel luminos cade exact pe interecţia linilor crucii (fig), (fig). Aparatul

este calibrat

9. După fiecare calibrare cu placa de sticlă aceasta şi prisma se vor curăţa cu

alcool etilic iar după aceea cu apă.

Interfaţarea cu calculatorul. Refractometrul dispune de posibilitatea legării la

calculator cu folosirea unui soft specific. În acest scop este echipat cu o interfaţă

serială şi un cablu de legătură ce permite procesarea superioară a datelor . Viteza

de transfer cu care este livrat aparatul este de 9600 baud . Pentru a schimba

această viteză se vor respecta paşii indicaţi în cartea tehnică a aparatului.

Modul de lucru . În cadrul lucrării de laborator se va lucra concomitent cu toate

cele tei refractometre din dotare pe trei subgrupe de studenţi şi se vor efectua

următoarele:

1. Determinarea concentraţiei . Se prepară 6 soluţii cu concentraţii cunoscute de

zahăr in domeniul 0-30% zahăr şi se măsoară indicele de refracţie cu

Refractometrul Abbe IOR portabil şi cu Refractometrul Abbe Mark II Plus din

dotarea laboratorului. Rezultatele măsurării se trec în tabelul 4. Cu datele

experimentale se construiesc pe acelaş grafic ( hîrtie milimetrică format A5)

curbele de etalonare obţinute cu cele două aparate în coordonate: indice de

refracţie (variabila dependentă) concentraţie procentuală zahăr ( variabilă

independentă) . După aceea se prepară o soluţie de zahăr de concentraţie

necunoscută , se măsoară cu fiecare aparat indicele de refracţie şi de pe curba de

etalonare specifică se

extrapolează concentraţia de zăhăr corespunzătoare. Se compară valorile celor

două concentraţii rezultate şi se trag concluzii.

Tab. 4 Rezultatele măsurării cu refractometrul Abbe de masă IOR, refractometrul

Abbe portabil IOR şi refractometrul Abbe Mark II Plus a indicelui de refracţie pentru

soluţii de zahăr de concentraţii cunoscute.

Nr. Crt.Refractometrul Abbe IOR portabil Refractometrul Abbe Mark II Plusn % zahăr n % zahăr

123456

Determinarea influenţei variaţiei temperaturii asupra indicelui de refracţi .Se

cuplează sistemul de termostatare a prismelor refractometrului Abbe Mark II Plus la

termostat , se fixează termometrul de contact la 700C şi se porneste pompa de

recirculare a agentului de termostatare se citeşte din 5 în 5 0C temperatura de pe

termometrul de control al termostatului, temperatura de pe prisma termostatului,

şi

indicele de refracţie corespunzător . Rezultatele inclusiv diferenţa de temperatură

calculată între indicaţia termometrului termostatului şi temperatura măsurată de

senzor direct pe prismă se trec în tabelul 5. Se reprezintă grafic pe hîrtie

milimetrică (format A5) variţia indicelui de refracţie cu temperatura agentului de

termostatare (temperatură citită pe termometrul de control al termostatului) şi

variaţia indicelui de

refracţie cu temperatura de pe prisma de măsurare ( temperatură citită de pe

afişajul digital al refractometrului) pe acelaş grafic. Se prezintă concluzii din care să

rezulte referiri la termostatarea fără controlul temperaturii direct pe prisma de

măsurare.

Tab.5 Variaţia indicelui de refracţie a unei soluţii de zahăr cu temperatura

Nr. determinări

1 2 3 4 5 6

Temperatură termostat [0C]Temperatură prismă [0C]Diferență temperatură [0C]Indice refracție-n