Refractometría (II): El refractómetro de Abbe

REFRACTOMETRÍA

• Parte 1: Espejismos y arcoíris
• Parte 2: El refractómetro de Abbe
• Parte 3: Aplicaciones en Química

Fig. 1

El instrumento que se ve sobre estas líneas es un refractómetro de Abbe sencillo. Su función es medir el índice de refracción de una muestra líquida (o sólida si tiene una cara lisa y pulida).

Las dos partes principales del instrumento son el prisma de iluminación y el prisma de refracción. En óptica, un prisma es un objeto capaz de reflejar y/o refractar la luz. La refracción de la luz consiste en su cambio de dirección al cambiar de medio. Pero el cambio de dirección depende de la longitud de onda de la luz, y como la luz blanca que llega al prisma es una mezcla de radiaciones de diferentes longitudes de onda, cada una se refracta (es decir, cambia de dirección) en grado diferente.

Fig. 2

Dicho de otro modo, un material determinado presenta diferentes índices de refracción según la longitud de onda de la radiación que se utilice. Para evitar ambigüedades, se suele tabular el índice de refracción de las sustancias para la luz de la llamada línea D de emisión de las lámparas de sodio. (En realidad, la línea D está formada por dos, una a 589 nm y otra a 589,6 nm, pero están tan próximas que el doblete se suele considerar monocromático a efectos de su uso en refractometría.) En ese caso, al índice de refracción se le denomina n_D.

De toso modos, estas consideraciones no son demasiado importantes. En refractometría de alta resolución se suelen usar lámparas de sodio, pero los refractómetros de Abbe sencillos pueden trabajar con luz natural o cualquier fuente de luz blanca, como explicaremos más abajo.

Un prisma de refracción se fabrica de vidrio óptico, que es un material de una gran calidad y pureza con propiedades refractivas muy bien definidas, para lo cual debe ser química y físicamente lo más uniforme posible, sin burbujas, deformidades o arañazos (los cuales, por cierto, hay que evitar cuando se depositan las gotas de muestra con una pipeta Pasteur en el prisma del refractómetro). Este vidrio debe tener un índice de refracción muy alto, ya que el refractómetro Abbe está diseñado de tal forma que solo permite medir índices de refracción inferiores al del vidrio del prisma (típicamente, los índices de refracción que se pueden medir en un equipo de este tipo están entre 1,300 y 1,700).

La medida en el refractómetro Abbe

Para mediar el índice de refracción de un líquido en un refractómetro Abbe se ponen una gotas de la muestra sobre la cara horizontal del prisma de refracción. Después, este prisma se cubre con el de iluminación (que es abatible, como se observa en la primera figura). Con esto se consigue una finísima película de muestra que queda entre ambos prismas, como se ve en la imagen siguiente:

Fig. 3

Nótese que el prisma superior (el de iluminación) tiene una superficie rugosa (mate), mientras el inferior (en el que se deposita la muestra) la tiene pulida. La superficie del prisma de iluminación es mate para que cada punto de ella emita luz en una dirección arbitraria. De este modo, en la muestra entran rayos con todas las direcciones posibles. En el esquema siguiente vemos dos de estos rayos:

Fig. 4

El rayo AB es el que experimentará la mayor refracción posible, ya que todos los demás entrarán en el prisma de refracción con un ángulo de incidencia menor que ese (esto se explicó en la primera parte de este artículo). Por lo tanto, todos esos rayos experimentarán una refracción menor que el AB. Como ningún rayo experimentará una refracción mayor, a la derecha del punto al que llega el rayo BC habrá oscuridad y a su izquierda habrá luz.

Nótese que el rayo AB es prácticamente rasante, ya que el espesor de la muestra (muy amplificado en la imagen) es muy pequeño. Por lo tanto, el rayo BC se puede considerar que se está refractando con el ángulo critico (como se explica en la figura 4 de la primera parte de este artículo).

La siguiente imagen es otra forma de explicar lo mismo:

Fig. 5

En el refractómetro, esta diferencia entre zonas de luz y sombra la podemos observar mediante el ocular gracias a un sistema óptico interno dispuesto para ese fin. Se vería algo así:

 Fig. 6

En realidad, cuando se mira por el ocular tras poner la muestra lo más normal es que la imagen no quede dividida en dos campos iguales, oscuro e iluminado, como se observa en la figura 6. La tarea del operador es precisamente mover el mando de medida del índice de refracción que tiene el refractómetro para conseguir que ambos campos sean iguales, es decir, que el punto de corte de las dos finas líneas cruzadas que se observan en la imagen quede exactamente en la línea de separación de luz y sombra.

Todo esto se hace porque la separación de la zonas de luz y sombra está relacionada con el ángulo crítico, como hemos visto, y el ángulo crítico está relacionado con el índice de refracción. Al operar como se ha explicado lo que se está haciendo es buscar el ángulo crítico. El mando que permite centrar la línea de división entre luz y sombra va engranado con una escala de medida del índice de refracción que se ha calibrado de tal modo que el índice es el valor que marca la escala cuando hemos conseguido centrar la línea de separación luz-sombra. En el siguiente ejemplo se ha medido un índice de refracción de 1,3330.

Fig. 7

Si cambiamos de muestra, como esta tendrá un índice de refracción distinto, el rayo AB de la figura 4 se refractará de otra manera, de modo que el BC caerá en otro punto y en el ocular la línea de separación luz-sombra se habrá movido. Bastará centrarla de nuevo con el mando para medir el nuevo índice de refracción.

El problema de la dispersión

En la práctica, en los refractómetros Abee que utilizan iluminación de luz blanca (es decir, policromática) la línea de separación entre la zona iluminada y la de sombra no se suele ver nítidamente, sino difuminada, e incluso a veces se observan colores. Esto se debe a lo que se explicó más arriba: una muestra no tiene un índice de refracción fijo, sino uno para cada radiación que le llega, según su longitud de onda (las longitudes de onda corta normalmente se refractan más que las largas).

Para evitar esta dispersión, en los refractómetros Abbe se colocan unos primas compensadores (llamados prismas de Amici) que, al ser movidos ligeramente mediante el mando de compensación, vuelven nítida la línea de separación luz-sombra, consiguiendo que se pueda medir un índice de refracción que es el mismo que se obtendría si la luz de iluminación fuese monocromática (la línea D del sodio).

Fig. 9

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• Parte 2: El refractómetro de Abbe
• Parte 3: Aplicaciones en Química

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Más información:

• Cómo se mide el índice de refracción en un Abbe paso a paso
• Fundamentos de refractometría y suo del refractómetro
• Técnicas refractométricas y tipos de refractómetros
• Refractómetro de Abbe