O refratômetro, como funciona e seu papel na indústria alimentícia

Jun 13, 2023

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Um refratômetro é um dispositivo usado para medir o índice de refração (n) de uma substância. Esta propriedade física pode ser utilizada para fazer uma variedade de avaliações, tais como para determinar a pureza de uma substância (comparando o seu valor n com um valor padrão) ou para ajudar na identificação de uma substância desconhecida, comparando o seu valor n com valores de referência. 1 Os refratômetros são versáteis em seu design e uso, e são capazes de fornecer resultados como índices de refração ou, em outros casos, como medições diretas de parâmetros como sólidos solúveis, concentração de açúcar ou salinidade.

Como funciona um refratômetro, o índice de refração e o papel da lei de Snell

O índice de refração de uma substância é determinado pela razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz que viaja através da substância de teste, conforme descrito na Equação 1.

Índice de refração (n) = (Velocidade da luz no vácuo) (Velocidade da luz na substância de teste)

Equação 1: Definição do índice de refração de uma substância utilizando a velocidade da luz.

Quando a luz viaja de um meio para outro, ela muda não apenas em velocidade, mas também em direção, resultando em refração. Este fenômeno é representado pela Figura 1, onde um feixe de luz viaja através dos meios A e B nas velocidades vA e vB respectivamente.

Pela lei de Snell, a relação entre os senos do ângulo de incidência e do ângulo de refração é igual ao índice de refração do segundo meio.2 Considerando um plano perpendicular à interface, os feixes incidente e refratado formam os ângulos θA e θB, e os índices de refração dos meios A e B (nA e nB), pode-se estabelecer a seguinte relação (Equação 2):

sin⁡θA = nB = VAsin⁡θB nA VB

Equação 2: Fórmula da lei de Snell.

A equação acima mostra que o índice de refração de uma substância pode ser encontrado medindo os ângulos de incidência e refração, em vez de medir a velocidade da luz.

Para compreender melhor os princípios de funcionamento dos refratômetros, há outro conceito fundamental a considerar, o ângulo crítico. À medida que o ângulo de um feixe de luz incidente aumenta, também aumenta o ângulo de refração (ver Figura 2A). Em um ângulo de incidência específico, o ângulo de refração atinge 90°, que é o ângulo de refração máximo possível. Neste ponto específico, conhecido como ângulo crítico, o feixe de luz viaja paralelo à interface e qualquer aumento adicional no ângulo de incidência resultará na reflexão da luz.3 Se considerarmos agora um prisma iluminado em contato com um líquido ( Figura 2B), os feixes que viajam abaixo do ângulo crítico são refratados e os feixes que viajam acima do ângulo crítico são refletidos. Quando observado da posição correta, o ângulo crítico pode ser visualizado como uma transição entre regiões escuras e claras. Conhecendo o índice de refração do prisma (nA), bem como o ângulo de refração θB no ângulo crítico (ou seja, 90°), o índice de refração do líquido (nB) pode agora ser determinado. Esta relação estabelece o princípio de funcionamento da maioria dos refratômetros.4

Para determinar com precisão o índice de refração de uma substância, considerações adicionais devem ser feitas, em particular devido à dependência desta propriedade da temperatura e do comprimento de onda da luz usada para medi-la. Portanto, deve-se tomar cuidado para controlar ou compensar variações de temperatura e comprimento de onda.1

O índice de refração é específico de uma substância, tornando esta propriedade um método fácil e eficiente para caracterizar materiais e avaliar sua pureza. Quando a amostra de teste é uma simples mistura de dois componentes, como água e açúcar ou água e álcool, a primeira escolha para sua caracterização é um refratômetro. Embora misturas mais complexas possam produzir determinações menos precisas, os refratômetros ainda podem fornecer aproximações aceitáveis ​​da concentração de soluto, adequadas para controle de qualidade. Por esse motivo, os refratômetros são utilizados no laboratório, nas indústrias e na área de produção por serem simples de usar, de baixa manutenção e fornecerem resultados rápidos. O índice de refração de uma solução geralmente é diretamente proporcional à sua concentração em volume (m/V), que pode ser convertida em concentração em massa (m/m) quando multiplicada por um fator de densidade. Esta relação permite a comparação mútua do índice de refração e dos dados de gravidade específica. A gravidade específica, ou densidade relativa, de uma substância é a razão entre a densidade e a de uma substância padrão, geralmente água a 4 °C. A densidade relativa de um líquido pode ser determinada por meio de um hidrômetro, que é um dispositivo feito de um tubo de vidro selado com um bulbo fixado no fundo, que funciona como lastro. Esses dispositivos possuem uma densidade específica e, com base na flutuabilidade de um hidrômetro, a gravidade específica do líquido em que está colocado pode ser lida em uma escala nele impressa. Alternativamente, a gravidade específica de um líquido pode ser determinada usando um picnômetro, que é um recipiente de vidro com um volume especificado e uma rolha especial que permite que o recipiente seja completamente preenchido e as bolhas de gás escapem. Este dispositivo permite medir um volume muito preciso, permitindo assim determinar a gravidade específica de um fluido.6 Tanto a gravidade específica quanto o índice de refração podem ser usados ​​para determinar a composição de misturas binárias, o que é essencial no controle de processos e avaliações de qualidade. . Os hidrômetros são baratos e simples de usar, o que os torna ideais para cervejeiros caseiros, por exemplo. No entanto, a refratometria permite determinações mais rápidas e diretas, requer amostras muito menores do que medições de gravidade específica e pode ser mais portátil, tornando-a a escolha preferida para a maioria das aplicações industriais e de produção de alimentos.