Il rifrattometro, come funziona e ruolo nell'industria alimentare

Jun 13, 2023

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Un rifrattometro è un dispositivo utilizzato per misurare l'indice di rifrazione (n) di una sostanza. Questa proprietà fisica può essere utilizzata per effettuare una serie di valutazioni, ad esempio per determinare la purezza di una sostanza (confrontando il suo valore n con un valore standard) o per facilitare l'identificazione di una sostanza sconosciuta confrontando il suo valore n con i valori di riferimento. 1 I rifrattometri sono versatili nella loro progettazione e utilizzo e sono in grado di fornire risultati come indici di rifrazione o, in altri casi, come misurazioni dirette di parametri quali solidi solubili, concentrazione di zuccheri o salinità.

Come funziona un rifrattometro, indice di rifrazione e ruolo della legge di Snell

L'indice di rifrazione di una sostanza è determinato dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce che viaggia attraverso la sostanza in esame, come descritto nell'equazione 1.

Indice di rifrazione (n) = (Velocità della luce nel vuoto) (Velocità della luce nella sostanza in esame)

Equazione 1: Definizione dell'indice di rifrazione di una sostanza utilizzando la velocità della luce.

Quando la luce viaggia da un mezzo a un altro, cambia non solo la velocità ma anche la direzione, determinando la rifrazione. Questo fenomeno è rappresentato dalla Figura 1, dove un raggio di luce viaggia attraverso i mezzi A e B rispettivamente alle velocità vA e vB.

Secondo la legge di Snell, il rapporto tra i seni dell'angolo di incidenza e dell'angolo di rifrazione è uguale all'indice di rifrazione del secondo mezzo.2 Considerando un piano perpendicolare all'interfaccia, il raggio incidente e quello rifratto formano angoli θA e θB, e gli indici di rifrazione dei mezzi A e B (nA e nB), si può stabilire la seguente relazione (Equazione 2):

sin⁡θA = nB = VAsin⁡θB nA VB

Equazione 2: formula della legge di Snell.

L'equazione precedente mostra che l'indice di rifrazione di una sostanza può essere trovato misurando gli angoli di incidenza e rifrazione anziché misurando la velocità della luce.

Per comprendere meglio il principio di funzionamento dei rifrattometri c’è un altro concetto fondamentale da considerare, l’angolo critico. All'aumentare dell'angolo di un raggio di luce incidente, aumenta anche l'angolo di rifrazione (vedere Figura 2A). Ad uno specifico angolo di incidenza, l'angolo di rifrazione raggiunge i 90°, che è l'angolo di rifrazione massimo possibile. In questo punto particolare, noto come angolo critico, il raggio di luce viaggia parallelo all'interfaccia e qualsiasi ulteriore aumento dell'angolo di incidenza si tradurrà in una riflessione della luce.3 Se consideriamo ora un prisma illuminato a contatto con un liquido ( Figura 2B), i raggi che viaggiano al di sotto dell'angolo critico vengono rifratti e i raggi che viaggiano al di sopra dell'angolo critico vengono riflessi. Se osservato dalla giusta posizione, l'angolo critico può essere visualizzato come una transizione tra le regioni scure e quelle chiare. Conoscendo l'indice di rifrazione del prisma (nA) e l'angolo di rifrazione θB all'angolo critico (cioè 90°), è ora possibile determinare l'indice di rifrazione del liquido (nB). Questa relazione stabilisce il principio di funzionamento della maggior parte dei rifrattometri.4

Per determinare con precisione l'indice di rifrazione di una sostanza è necessario fare ulteriori considerazioni, in particolare a causa della dipendenza di questa proprietà dalla temperatura e dalla lunghezza d'onda della luce utilizzata per misurarla. Pertanto, è necessario prestare attenzione al controllo o alla compensazione delle variazioni di temperatura e della lunghezza d'onda.1

L'indice di rifrazione è specifico di una sostanza, rendendo questa proprietà un metodo semplice ed efficace per caratterizzare i materiali e valutarne la purezza. Quando il campione in esame è una semplice miscela di due componenti, come acqua e zucchero oppure acqua e alcool, la prima scelta per la loro caratterizzazione è un rifrattometro. Sebbene miscele più complesse possano produrre determinazioni meno accurate, i rifrattometri possono comunque fornire approssimazioni accettabili della concentrazione del soluto, adatte per il controllo di qualità. Per questo motivo i rifrattometri vengono utilizzati in laboratorio, nelle industrie e nei settori produttivi poiché sono semplici da usare, richiedono poca manutenzione e forniscono risultati rapidi. L'indice di rifrazione di una soluzione è solitamente direttamente proporzionale alla sua concentrazione in volume (m/V), che può essere convertito nella concentrazione in massa (m/m) se moltiplicato per un fattore di densità. Questa relazione consente il confronto reciproco dei dati sull'indice di rifrazione e sul peso specifico. Il peso specifico, o densità relativa, di una sostanza è il rapporto tra la densità e quella di una sostanza standard, solitamente acqua a 4 °C. La densità relativa di un liquido può essere determinata utilizzando un idrometro, che è un dispositivo costituito da un tubo di vetro sigillato con un bulbo attaccato al fondo, che funge da zavorra. Questi dispositivi hanno una densità specifica e, in base alla galleggiabilità di un idrometro, il peso specifico del liquido in cui è posto può essere letto su una scala stampata su di esso. In alternativa, il peso specifico di un liquido può essere determinato utilizzando un picnometro, che è un contenitore di vetro con un volume specificato e un tappo speciale che consente il riempimento completo del contenitore e la fuoriuscita delle bolle di gas. Questo dispositivo consente di misurare un volume molto accurato, consentendo così di determinare il peso specifico di un fluido.6 Sia il peso specifico che l'indice di rifrazione possono essere utilizzati per determinare la composizione di miscele binarie, il che è essenziale nel controllo del processo e nelle valutazioni della qualità . Gli idrometri sono economici e semplici da usare, il che li rende ideali, ad esempio, per gli homebrewer. Tuttavia, la rifrattometria consente determinazioni più rapide e dirette, richiede campioni molto più piccoli rispetto alle misurazioni del peso specifico e può essere più portatile, rendendola la scelta preferita per la maggior parte delle applicazioni di produzione industriale e alimentare.