Usos do refratômetro na indústria e seleção
Por Angelo DePalma, PHD
Usos do refratômetro: Caracteriza os fluidos com base em seu índice de refração - a refração ocorre devido à mudança na velocidade da luz à medida que ela viaja por um material de uma densidade para outro de densidade diferente. Por definição, o vácuo tem um índice de refração de 1, e o índice de refração de uma solução ou fluido puro é calculado pela equação:
Índice de refração = velocidade da luz em um vácuo/velocidade da luz através da substância
A luz passa mais lentamente pelos meios à medida que as amostras se tornam mais densas ou mais concentradas. Portanto, o ar tem um índice de refração de 1,000293, o índice de refração da água é de 1,33298 a 20C e o do benzeno é de 1,501, enquanto o índice de refração do anestésico sevoflurano varia de 1,2745 a 1,2760.
O Índice de Refração baseia-se na Lei de Snell, que descreve a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de difração da luz que atinge a fronteira entre dois meios diferentes, por exemplo, uma solução líquida e o ar. A Wikipedia fornece um bom histórico sobre o Índice de Refração e a Lei de Snell.
Qualquer pessoa que tenha visto o remo de um barco a remo "dobrar" ao entrar na água experimentou a refração em primeira mão. O fenômeno ocorre devido à propagação mais lenta das ondas de luz na água em comparação com o ar. Os refratômetros comerciais funcionam com o mesmo princípio, embora o grau de "curvatura" seja medido com precisão.
O índice de refração é uma característica física única e constante de substâncias puras, como o óleo de limão, mas seu uso mais comum é para calcular a concentração de substâncias dissolvidas na água. A medição do teor de açúcar na água ("brix") é uma aplicação comum. A Figura 1 ilustra que quanto maior a concentração, maior o Índice de Refração.
Usos do refratômetro - comprimento de onda e temperatura
As medições de refratometria dependem muito do comprimento de onda da luz aplicada à amostra e da temperatura da amostra. Os refratômetros padrão usam o comprimento de onda de 589,3 nanômetros (omitem a emissão da linha D do sódio) e fazem medições a 20º C. Embora o comprimento de onda seja fixo, as temperaturas da amostra variam, a menos que sejam controladas, e afetam significativamente as medições de refratometria.
Os líquidos e as soluções tornam-se menos densos em temperaturas mais altas, de modo que a luz que passa por amostras de temperatura mais alta encontra menos moléculas de soluto (e solvente). Portanto, seria de se esperar que o Índice de Refração a 25º C fosse ligeiramente menor do que a 20º C. Uma maneira de compensar a temperatura é aplicar uma correção numérica para variações de temperatura de 20º C -
A correção numérica razoável baseada nas tabelas de correção da ICUMSA funciona bem para açúcar puro e substâncias aquosas em que há uma relação linear entre o índice de refração e a mudança de temperatura. Quanto mais a substância dissolvida se torna menos pura e quanto mais a amostra se afasta de 20 ºC, maior é o erro matemático em potencial. A fórmula de correção de temperatura mais comum aplicada é a desenvolvida pela ICUMSA quando eles criaram a tabela BRIX, que aproxima a diferença entre o Índice de Refração na medição e nas temperaturas de referência.
Os fatores de correção do índice de refração diferem para todas as soluções e líquidos puros. Alguns instrumentos de ponta aplicam um fator de correção automaticamente, um recurso conhecido como compensação automática de temperatura ou correção automática de temperatura. A solução mais confiável para temperaturas fora do padrão, no entanto, é a capacidade de aquecer ou resfriar a amostra a precisamente 20º C. Os sistemas mais eficientes fornecem aquecimento e resfriamento acima e abaixo da amostra e empregam aquecimento/resfriamento Peltier em vez do tradicional banho-maria.
A manutenção do banho de água é um exercício demorado que envolve a troca e o abastecimento periódico da água e a adição de algicida. Além disso, a temperatura do próprio banho de água requer medição e calibração. O controle eletrônico de temperatura Peltier é mais compacto do que os banhos de água e oferece maior precisão de temperatura e equilíbrio mais rápido.
Diferentemente da espectroscopia, que pode identificar substâncias exclusivamente com base em sua absorção, a refratometria é útil somente quando o material que está sendo analisado é conhecido. Por exemplo, uma solução de sal em uma concentração pode ter o mesmo índice de refração que uma solução de açúcar em uma concentração diferente. Apesar dessa limitação, os refratômetros são onipresentes em laboratórios industriais e científicos, principalmente em ambientes de controle de qualidade, onde uma medição rápida do índice de refração indica se o produto está dentro das especificações). As aplicações a seguir são apenas a ponta do iceberg de possibilidades:
- Salinidade da água
- Doçura das bebidas
- Teor de hidrocarbonetos dos combustíveis para motores
- Brix, ou concentração de açúcar em uma fermentação
- Concentração de xarope de bordo
- Proteína em solução
Usos e seleção de refratômetros para a indústria
Como os laboratórios têm necessidades muito diferentes com base em suas aplicações, ambiente de medição, requisitos de conformidade, treinamento do operador e nível de experiência, os fornecedores de refratômetros responderam oferecendo vários modelos para atender às diversas configurações do setor. Eles variam de unidades de mesa a portáteis, de eletrônicos/digitais a manuais, com níveis variados de precisão e documentação.
Para os usuários comuns, o desempenho é um fator óbvio na compra de um refratômetro. As pessoas que compram apenas pelo preço podem estar perdendo valor. Os refratômetros tendem a durar muito tempo se forem mantidos adequadamente. Para perceber o valor total de um instrumento analítico, é necessário que o comprador compreenda o valor de suas medições, a frequência de uso e o custo ou a oportunidade perdida de uma leitura incorreta. A diferença de custo entre um instrumento de baixo custo e um refratômetro de qualidade pode chegar a apenas alguns centavos por medição durante a vida útil do instrumento.
Refratômetros pequenos, portáteis ou do tamanho da palma da mão, que custam entre US$ 200 e US$ 2.000, geralmente são usados para tarefas específicas, como testar vinho ou anticongelante. Esses instrumentos podem ser eletrônicos ou alimentados por bateria, ou modelos não eletrônicos que dependem da luz ambiente e exigem que o usuário faça uma determinação visual. Os modelos eletrônicos/digitais tendem a ser um pouco maiores e mais caros, mas oferecem maior precisão. Os refratômetros pequenos são ideais para o trabalho de campo, em casa, para levar o "laboratório" até a amostra, e não o contrário.
Os refratômetros de laboratório na faixa de preço de US$ 7.000 a US$ 14.000 são instrumentos de trabalho para grandes empresas de manufatura que buscam manter um alto nível de qualidade e aderência a diretrizes de qualidade rigorosas. O custo mais alto é justificado pela ótica e pelo desempenho superiores dos instrumentos. Enquanto os modelos portáteis oferecem resolução entre 0,1 e 0,01, os instrumentos de laboratório chegam a 0,0001. Esses refratômetros normalmente fazem interface com um computador e são os instrumentos preferidos dos laboratórios de alto rendimento que buscam precisão e integridade dos dados.
Para aplicações de pesquisa ou que exijam altíssima precisão, os refratômetros de laboratório top de linha oferecem precisão de 0,00001 e faixa completa de medição do índice de refração, até 1,70000. Esses instrumentos apresentam conectividade com computadores e outros instrumentos.
Além dessas três categorias de refratômetros de laboratório, as empresas que trabalham em indústrias de processo podem considerar refratômetros em linha que medem o índice de refração continuamente.
Conclusão
A refratometria é um método analítico comprovado pelo tempo que continua sendo um elemento básico dos laboratórios modernos. A seleção do refratômetro certo depende da sua necessidade de precisão, do rendimento da amostra, do local da medição, da interoperabilidade com outros instrumentos e dos requisitos de manuseio e processamento de dados.
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