Refractometría: fundamento, tipos de refractómetros, aplicaciones
La refractometría es un método de análisis óptico de sustancias que mide el índice de refracción de una sustancia para determinar sus principales características. Se fundamenta en el hecho de que la luz, al pasar de un medio a otro, experimenta un cambio de dirección que depende de la naturaleza de estos medios.
La velocidad de la luz en el vacío es c = 300.000 km/s, pero en el agua, por ejemplo, disminuye a v =225.000 km /s. El índice de refracción n se define precisamente como el cociente c/v.
Supongamos que la luz de cierta longitud de onda incide con un ángulo predeterminado sobre la superficie que limita dos materiales diferentes. Entonces la dirección del rayo cambiará, porque cada medio tiene un índice de refracción distinto.
Índice del artículo
- 1 Cómo calcular el índice de refracción
- 2 Tipos de refractómetros
- 3 Ventajas y desventajas
- 4 Aplicaciones
- 5 Referencias
La ley de Snell relaciona el índice de refracción entre dos medios 1 y 2 como:
n1 sen θ1 = n2 sen θ2
Aquí n1 es el índice de refracción en el medio 1, θ1 es el ángulo de incidencia del rayo sobre la superficie límite, n2 es el índice de refracción en el medio 2 y θ2 es el ángulo de refracción, en cuya dirección prosigue el rayo transmitido.
El índice de refracción de los materiales es constante y se conoce bajo ciertas condiciones físicas. Con esto se puede calcular el índice de refracción de otro medio.
Por ejemplo, si la luz pasa a través de un prisma de cristal cuyo índice es n1 y luego por la sustancia cuyo índice se quiere conocer, midiendo cuidadosamente el ángulo de incidencia y el de refracción, se obtiene:
n2 = (sen θ1 / sen θ2). n1
El refractómetro es un instrumento que mide el índice de refracción de un líquido o de un sólido con caras planas y lisas. Hay dos tipos de refractómetros:
-De tipo óptico-manual como el refractómetro de Abbe.
-Refractómetros digitales.
El refractómetro de Abbe fue inventado en el siglo XIX por Ernst Abbe (1840-1905), físico alemán que contribuyó notablemente al desarrollo de la Óptica y la Termodinámica. Este tipo de refractómetro es ampliamente utilizado en la industria de alimentos y laboratorios de enseñanza y consta básicamente de:
-Una lámpara como fuente luminosa, generalmente de vapor de sodio, cuya longitud de onda es conocida. Hay modelos que usan luz blanca normal, la cual contiene todas las longitudes de onda visibles, pero traen incorporados unos prismas llamados prismas de Amici, que eliminan las longitudes de onda no deseadas.
-Un prisma de iluminación y otro prisma de refracción, entre los cuales se coloca la muestra cuyo índice se quiere medir.
-Termómetro, ya que el índice de refracción depende de la temperatura.
-Mecanismos de ajuste para la imagen.
-El ocular, mediante el cual el observador lleva a cabo la medida.
La disposición de estas partes básicas puede variar según el diseño (ver figura 3 izquierda). Seguidamente veremos los principios de funcionamiento.
Funcionamiento del refractómetro de Abbe
El procedimiento es el siguiente: la muestra se coloca entre el prisma de refracción –que va fijo-, y el prisma de iluminación –abatible-.
El prisma de refracción está muy pulimentado y su índice de refracción es elevado, mientras que el de iluminación es mate y rugoso en la superficie de contacto. De esta forma, cuando se enciende la lámpara, se emite luz en todas las direcciones sobre la muestra.
El rayo AB de la figura 3 es el que tiene la mayor desviación posible, por eso a la derecha del punto C un observador verá un campo sombreado, mientras que el sector de la izquierda estará iluminado. El mecanismo de ajuste entra en acción ahora, pues lo que se busca es hacer que los dos campos tengan igual tamaño.
Para esto hay una marca de ayuda en el ocular, que varía según el diseño, pero puede ser una cruz u otro tipo de señal, que sirva para centrar los campos.
Al hacer que los dos campos tengan el mismo tamaño, se puede medir el ángulo crítico o ángulo límite, que es el ángulo en el cual el rayo transmitido pasaría rasante por la superficie que separa a los medios (ver figura 4).
Conocer este ángulo permite calcular directamente el índice de refracción de la muestra, teniendo el del prisma. Veamos esto con más detalle seguidamente.
El ángulo crítico
En la siguiente figura vemos que el ángulo crítico θc es aquel en el cual el rayo viaja justo sobre la superficie límite.
Si se incrementa más el ángulo entonces el haz no llega hacia el medio 2, sino que es reflejado y continúa en el medio 1. La ley de Snell aplicada a este caso sería: sen θ2 = sen 90º = 1, lo cual lleva directamente al índice de refracción en el medio 2:
n2 = n1 sen θc
Pues bien, el ángulo crítico se obtiene justamente igualando el tamaño de los campos de luz y sombra que se ven por el ocular, por el que además se observa una escala graduada.
La escala suele estar calibrada para la lectura directa del índice de refracción, así que, dependiendo del modelo del refractómetro, el operador verá algo parecido a lo que se observa en la siguiente imagen:
La escala superior, con ayuda de la línea vertical, indica la medida principal: 1.460, mientras que la escala inferior arroja 0.00068. Al sumar se tiene el índice de refracción 1.46068.
Importancia de la longitud de onda
La luz que incide sobre el prisma de iluminación va a cambiar su dirección. Pero al tratarse de una onda electromagnética, el cambio dependerá de λ, la longitud de la onda incidente.
Como la luz blanca contiene todas las longitudes de onda, cada una se refracta en distinto grado. Para evitar esta mezcla que da lugar a una imagen difusa, la luz que se usa en un refractómetro de alta resolución debe tener una longitud de onda única y conocida. La más usada es la llamada línea D del sodio, cuya longitud de onda es 589,6 nm.
En los casos en que no se requiera demasiada precisión, la luz natural es suficiente, aunque contenga una mezcla de longitudes de onda. Sin embargo, para evitar que el borde entre la zona iluminada y la oscura de la imagen se vea difuso, algunos modelos añaden los prismas compensadores de Amici.
La refractometría es una técnica rápida, económica y confiable para conocer la pureza de una sustancia, por lo que es de uso muy extendido en química, bioanálisis y tecnología de alimentos.
Pero ya que hay sustancias distintas con el mismo índice de refracción, es preciso saber cuál es la que se está analizando. Por ejemplo, se sabe que el ciclohexano y algunas soluciones azucaradas tienen el mismo índice de refracción a una temperatura de 20 ºC.
Por otro lado, el índice de refracción depende en gran medida de la temperatura, como se dijo anteriormente, además de la presión y la concentración de la solución refractora. Todos estos parámetros deben ser vigilados cuidadosamente cuando se requiere una gran precisión en las medidas.
En cuanto al tipo de refractómetro a utilizar, depende mucho de la aplicación a la cual esté destinado. A continuación algunas características de los tipos principales:
-Es un instrumento confiable y de bajo mantenimiento.
-Suelen ser económicos.
-Muy apropiado para familiarizarse con los principios fundamentales de la refractometría.
-Se debe cuidar de no rayar la superficie del prisma en contacto con la muestra.
-Hay que limpiar luego de cada uso, pero no puede hacerse con papel o materiales ásperos.
-El operador del refractómetro debe tener entrenamiento.
-Cada medida debe registrarse a mano.
-Suelen venir con escalas calibradas de manera específica para cierto rango de sustancias.
-Requieren ser calibrados.
-El sistema de control de temperatura por baño de agua puede ser engorroso de usar.
-Son de fácil lectura, ya que la medida aparece directamente en una pantalla.
-Emplean sensores ópticos para lecturas de alta precisión.
-Tienen la capacidad de almacenar y exportar los datos obtenidos y poder consultarlos en cualquier momento.
-Son sumamente precisos, aún para sustancias cuyo índice de refracción sea difícil medir.
-Es posible programar distintas escalas.
-No requieren ajuste de temperatura con agua.
-Algunos modelos incorporan medidas de la densidad, por ejemplo, o pueden conectarse a densímetros, medidores de pH y otros, para ahorrar tiempo y obtener medidas simultáneas.
-No es preciso volver a calibrarlos, sino comprobar de vez en cuando el buen funcionamiento midiendo el índice de refracción de sustancias bien conocidas, como agua destilada por ejemplo.
-Son más costosos que los refractómetros manuales.
Conocer el índice de refracción de una muestra señala el grado de pureza de esta, por eso la técnica es ampliamente utilizada en la industria de los alimentos:
-En el control de calidad de los aceites, para determinar su pureza. Por ejemplo mediante refractometría es posible saber si un aceite de girasol se rebajó añadiendo otros aceites de menor calidad.
-Se utiliza en la industria de alimentos para saber el contenido de azúcar en bebidas azucaradas, mermeladas, la leche y sus derivados y salsas diversas.
-También son necesarios en el control de calidad de vinos y cervezas, para determinar el contenido de azúcar y la graduación alcohólica.
-En la industria química y farmacéutica para el control de calidad de jarabes, perfumes, detergentes y toda clase de emulsiones.
-Pueden medir la concentración de urea -un desecho del metabolismo de las proteínas- en la sangre.
- Chemistry Lab Techniques. Refractometry. Recuperado de: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refractometría. Recuperado de: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Comparación de distintas técnicas de medición de la densidad y la refractometría. Recuperado de: mt.com.
- Net InterLab. ¿Qué es un refractómetro y para qué sirve?. Recuperado de: net-interlab.es.
- Oregon State University. Principles of refractometry. Recuperado de: sites.science.oregonstate.edu.