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Analyse mit einem Refraktometer 11:24 min

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Transkript Analyse mit einem Refraktometer

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Analyse mit dem Refraktometer". Als Vorkenntnisse solltest du aus der Physik einige wichtige Begriffe kennen - wie Brechungsgesetz, Brechungsindex und Lichtgeschwindigkeit. Ich möchte, dass du nach dem Schauen des Videos das Messprinzip des Refraktometers verstanden hast und weißt, wo es eingesetzt werden kann. Das Video besteht aus sechs Abschnitten.

  1. Brechzahl
  2. Brechzahl und Refraktometer
  3. Worauf man achten muss
  4. wichtige Brechzahlen
  5. Einsatzgebiete des Refraktometers und 6. Zusammenfassung

  6. Die Brechzahl Das Messprinzip kann man mit einem einfachen geraden Stab verdeutlichen. Nun benötigt man noch ein Gefäß mit Wasser. In das Wasser tauche ich nun den Stab ein. Wenn ich ihn senkrecht eintauche, sieht man erst mal gar nichts. Taucht der Stab unter einem Winkel ein, so hat man den Eindruck, als ob er unterhalb der Wasseroberfläche abgebrochen wird. Der Punkt, an dem der Bruch stattfindet, ist genau der Übergang von der Luft zum Wasser. Diese Erscheinung werden die meisten von euch sicher schon kennen. Licht wird gebrochen. Ich möchte den kleinen Versuch einmal in dieser Skizze festhalten. Ein Winkel dringt unter dem Winkel αL aus der Luft auf die Wasseroberfläche. Beim Eindringen ins Wasser wird dieser Winkel größer - αW. Diesen Vorgang bezeichnet man als Brechung. Es lässt sich nun ein Gesetz ableiten: sinαL×CL=sinαW×CW. CL und CW sind die Lichtgeschwindigkeiten in der Luft und im Wasser. Man kann die Formel auch umschreiben: sinαL/sinαW=CW/CL. In der Optik hantiert man nicht gern mit Lichtgeschwindigkeiten und schreibt deshalb =nW/nL - nW und nL bezeichnet man als Brechzahlen. Zu einer Brechzahl kann man auch Brechungsindex sagen. Da man für nW und nL alles Mögliche einsetzen kann (Hauptsache, das Verhältnis stimmt), hat man sich darauf geeinigt, die Brechzahl des Vakuums als 1 zu definieren. Auf der Erde herrscht kein Vakuum, aber glücklicherweise stimmen die Brechzahlen von Vakuum und Luft fast miteinander überein. Das heißt, auch Luft hat eine Brechzahl von fast 1. Somit vereinfacht sich unsere Gleichung: sinαL/sinαW≈nW. Die beiden ersten Gleichungen stellen das Brechungsgesetz dar. Die 3. Gleichung ist eine Anwendung. Das Gesetz kann man verallgemeinern, wenn man davon ausgeht, dass ein Lichtstrahl von Luft in einen Stoff eindringt - oder umgekehrt. Der Einfall- bzw. Ausfallwinkel des Stoffes heißt dann αS. Wir nehmen nun die folgende Beziehung als Gleichheit an: sinαL/sinαs=ns. Diese Gleichung wird bei den Messungen mit dem Refraktometer ausgenutzt.

  7. Brechzahl und Refraktometer Ein Refraktometer funktioniert nach einem einfachen Prinzip. Aus den Winkeln αS und αL wird die Brechzahl ns bestimmt. Jeder reine Stoff hat eine bestimmte Brechzahl. Im Refraktometer werden Feststoffe und Flüssigkeiten untersucht, die transparent - das heißt, durchscheinend - sind. Mit dem Refraktometer kann man die Existenz eines Stoffes bestätigen. Angenommen, wir erhalten eine Brechzahl von 1,33. Handelt es sich dabei um Wasser? Das ist sehr wahrscheinlich, aber nicht absolut sicher, denn auch ein anderer Stoff könnte die gleiche Brechzahl besitzen. Ein Refraktometer bestimmt somit Brechzahlen. Das soll schnell und vor allem genau erfolgen. Das konnte bereits das Abbe-Refraktometer. Und natürlich beherrscht das auch ein modernes Handrefraktometer. Somit sind Refraktometer für alle lichtdurchlässigen Stoffe einsetzbar. Gase klammern wir einmal aus. Die Arbeitsweise eines Refraktometers wollen wir hier nicht besprechen; sie ist von Fall zu Fall verschieden und nicht so schwer zu erlernen. Ich möchte an dieser Stelle nur unterschiedliche Messprinzipien nennen: Das 1. Prinzip erfolgt mit Durchlicht; so wie wir es im Experiment eingangs besprochen haben. Man kann aber auch mit dem streifenden Einfall arbeiten; oder dem Grenzfall der Lichtreflexion, der Totalreflexion.

  8. Worauf man achten muss Brechwertmessung mit dem Refraktometer - gut und schön. Aber es gibt 2 Probleme. Das 1. Problem ist die Dispersion von Licht. Das bedeutet, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge auch unterschiedlich gebrochen wird. In einem Refraktometer verwendet man daher immer nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Häufig ist das die sogenannte Natrium-D-Linie, die im gelben Bereich des Lichts liegt. Das Licht hat hier eine Wellenlänge von 589 nm. Das Problem der Dispersion wird in jedem Refraktometer speziell gelöst. Wichtig für Brechzahlmessungen ist die Temperatur, denn Brechzahlen sind temperaturabhängig. Bei feststehenden Refraktometern wird häufig die Temperatur geregelt. Fast ausschließlich wird bei 20 °C gemessen, denn dafür findet man auch in der Literatur die meisten Vergleichswerte.

  9. Wichtige Brechzahlen Aus der Fülle der Werte möchte ich zunächst einige Brechzahlen für flüssige und verformbare Stoffe nennen: Wasser, 1,33. Die Augenlinse, zwischen 1,35 und 1,42. Glycerin, 1,47. Tetrachlorkohlenstoff, 1,46. Diiodmethan, 1,74. Und nun die Brechzahlen für einige Feststoffe: Polystyrol, 1,58. Der Edelstein Rubin, 1,74. Bleikristall, 1,92. Der funkelnde Diamant, 2,42. Und das Mineral Bleiglanz, sage und schreibe 3,90.

  10. Einsatzgebiete des Refraktometers Die Haupteinsatzgebiete neben Identifizierung eines Stoffes sind Reinheit- und Konzentrationsbestimmung. Nehmen wir an, wir haben eine verdünnte und daneben eine konzentrierte Zuckerlösung. Äußerlich sind beide gleich. Wenn wir die Brechzahlen beider Lösungen messen, kommen wir zu einem interessanten Ergebnis. Die Brechzahl der verdünnten Lösung ist kleiner als die Brechzahl der konzentrierten Lösung. Ein Einsatzort der Konzentrationsbestimmung ist die HPLC: die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie. Im Bier bestimmt man so Stammwürze. Im Wein wird der Zuckergehalt festgestellt. Im Honig untersucht ein Refraktometer den Wassergehalt. Im Salzwasser wird die Salinität ermittelt. Ein Diamant kann auf Echtheit untersucht werden. Zum Schluss noch eine einfache Anwendung der Brechzahlbestimmung, nämlich: Das einfachste Refraktometer der Welt. Ein Gefäß wird mit einer Flüssigkeit gefüllt. Es handelt sich dabei um Diiodmethan. In das Lösungsmittel taucht man nun einen Edelstein. Beim Eintauchen in das Diiodmethan verschwinden die Umrisse des Steins. Er wird unsichtbar. Das ist möglich, weil die Brechzahlen des Lösungsmittels und des Edelsteins praktisch gleich sind. Das Verfahren wird als Echtheitsnachweis für Edelsteine verwendet, aber nur für spezielle - nämlich für den Rubin und den Saphir. Bei beiden besteht der größte Anteil aus Aluminiumoxid.

  11. Zusammenfassung Ein Refraktometer bestimmt Brechzahlen. Damit kann man die Reinheit, Echtheit und Konzentration von Stoffen messen und überprüfen. Für die Messgenauigkeit wichtig sind Licht einer bestimmten Wellenlänge und gleichbleibende Temperatur; meist 20 °C. Das wär's schon wieder für heute. Ich danke für die Aufmerksamkeit und wünsch euch alles Gute. Auf Wiedersehen.

5 Kommentare
  1. Es tut mir leid, dass ich diese Kommentare erst jetzt gesehen habe.
    Offensichtlich habe ich mich von dem Versuch in die Irre leiten lassen, dabei aber übersehen, dass ich für eine relevante Aussage (qualitativ "größer" oder "kleiner")von vorne den Querschnitt anschauen muss.
    Beim Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) zum optisch dichteren Medium (Wasser, Glas) wird zum Lot gebrochen. Das steht völlig außer Frage.
    Das Brechungsgesetz und die Argumentation sind in Ordnung. Das steht völlig au0er Frage.
    Ich möchte mich für den Fehler und das hervorgerufene Unverständnis entschuldigen.
    In Absprache mit den Fachmanagern möchte ich diesen Fehler beheben.
    Vielen Dank für das aufmerksame Schauen und das Aufdecken der Fehler.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 6 Jahren
  2. Beim nochmaligen durchgucken muss ich leider doch sagen, dass hier die Erkärung mit dem Brechungsgesetz nicht richtig ist. Die Formel ist leider auch nicht richtig. Das Brechungsgesetz lautet sin(alpha/luft) durch sin(alpha/wasser) = c(Luft) / c(Wasser). Wär das der Fall wie oben, dann ließe sich die Gleichung gar nicht lösen.
    Nehmen wir an der Einfallswinkel zum Lot in der Luft beträgt 90°. sin(alpha/luft) = 1... Dann hätten wir noch die Formel umgestellt nach: sin(alpha/wasser) = c(Luft) / c(Wasser) ...Die Lichtgeschwindigkeit in der Luft ist jedoch höher als im Wasser. Damit hätten wir bei der Umstellung nach arcsin einen Wert > 1. Und damit automatisch einen "Math error".
    Bitte dringend korrigieren. Das hat mich erstmal auch rausgeworfen.

    Von My Nority, vor etwa 6 Jahren
  3. Dflow, das ist auch richtig. Habe mich ebenfalls gewundert. Hier wurde zwar nichts falsches erzählt und geschrieben, aber die Zeichnung ist zumindest mit den beiden Stoffen so nicht richtig, da die Lichtstrahl mit n2 > n1 zum Lot hin gebrochen wird. Das wäre ja bei Luft und Wasser aufjedenfall der Fall.

    Von My Nority, vor etwa 6 Jahren
  4. Sollte ich gefehlt haben, tue ich hiermit Abbitte.

    Von André Otto, vor etwa 7 Jahren
  5. Schöne Einführung zur Refraktometrie.

    Die Zeichnung bei Min 1:50 brachte mich allerdings zum Nachdenken. Ich hatte mal im Physikunterricht aufgeschnappt, dass ein Lichtstrahl beim Übergang von einem optisch dünnerem Medium (hier Luft) in ein optisch dichteres Medium (hier Wasser) zum Lot hingebrochen wird und somit Brechungswinkel kleiner als Einfallswinkel ist. Hmmmm

    mfg

    Von Dflow, vor etwa 7 Jahren

Analyse mit einem Refraktometer Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Analyse mit einem Refraktometer kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, welche Eigenschaften sich mit einem Refraktometer überprüfen lassen.

    Tipps

    Ein Stoff kann dann als echt betrachtet werden, wenn der Messwert mit dem vorherbestimmten Wert bei charakteristischen Eigenschaften übereinstimmt.

    Lösung

    Ein Refraktometer misst den Brechungsindex eines lichtdurchlässigen Stoffes. Dieser Wert ist charakteristisch für jede chemische Verbindung. Daher kann mit dieser Methode die Echtheit eines Stoffes überprüft werden. Dies ist jedoch nicht in jedem Fall eindeutig möglich, da es Stoffe mit identischem Brechnugsindex gibt. In diesem Fall müssen weitere Eigenschaften untersucht werden.

    Da Verunreinigungen eines Stoffes den Brechnugsindex verändern, lässt sich mit der Methode auch die Reinheit eines Stoffes überprüfen.

    Der Brechungsindex einer Lösung ist abhängig von der Konzentration des gelösten Stoffes. Da diese Abhängigkeit linear ist, lässt sich so mit einem Refraktometer schnell und einfach die Konzentration eines Stoffes bestimmen.

  • Ermittle die Brechzahlen der Verbindungen.

    Tipps

    Die Linse des Auges besteht zu einem Großteil aus Wasser.

    Lösung

    Meist, aber nicht immer, haben Flüssigkeiten einen niedrigeren Brechungsindex als Feststoffe. Bei den dargestellten Stoffen ist dies der Fall. Wasser hat mit 1,33 den niedrigsten Brechungsindex. Der Brechungsindex des Augapfels ist nur wenig darüber, da dieser hauptsächlich aus Wasser besteht. Das Tetrachlormethan, $CCl_4$, hat mit 1,46 einen höheren Brechungsindex.

    Der Diamant ist bekannt für seine brillanten Reflexe, die er im geschliffenen Zustand zeigt. Dies liegt auch an seinem hohen Brechungsindex von 2,42. Der Brechungsindex von Bleiglanz (eine Modifikation von $PbS$) liegt mit 3,9 noch höher, dieser ist jedoch weniger lichtdurchlässig.

  • Definiere den Begriff des Brechungsindex eines Stoffes.

    Tipps

    Indices ist der Plural von Index.

    Betrachte den Ausfallswinkel. Ein größerer Winkel ist weiter entfernt vom Lot und ein kleinerer Winkel ist dichter am Lot.

    Lösung

    Je nach Beschaffenheit des Stoffes kann sich Licht mit einer bestimmten, für den Stoff charakteristischen Geschwindigkeit fortbewegen. Diese ist immer kleiner als die Lichtgewindigkeit im Vakuum. Dies verursacht die Lichtbrechung an Grenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen: Ein Lichtstrahl, der von dem einen Medium in das andere wechselt, wird unter einem bestimmten Winkel abgeleitet.

    Mit dem Brechungsgesetz lässt sich die Brechung berechnen, wenn man den Brechnungsindex eines Stoffes kennt. Dieser leitet sich aus dem Brechungsgesetz für den Übergang zwischen dem Vakuum und dem Stoff ab: Der Brechungsindex ist der Quotient von Einfallswinkel und Ausfallswinkel eines Lichstrahls. Da der Brechungsindex von Luft ungefähr eins ist, lassen sich die Brechungsindices aller anderen Stoffe über den gleichen Quotienten beim Übergang von Luft in den entsprechenden Stoff abschätzen.

  • Erläutere die Abhängigkeit der Lichtbrechung von Temperatur und Wellenlänge am Beispiel des Sonnenuntergangs.

    Tipps

    Ein größerer Temperaturgradient führt zu stärkerer Lichtbrechung.

    Lösung

    Auch wenn der Brechungsindex der Luft nahe bei eins liegt, kommt es auf Grund der Schichtdicke der Atmosphäre zu einer starken Brechung des Lichts. Diese ist dann besonders stark, wenn der Temperaturgradient hoch ist, also die Luftschichten, die das Licht durchdringt, stark unterschiedliche Temperaturen haben.

    Diesen Effekt kennst du vom Flimmern der Luft über dem Asphalt an heißen Sommertagen. Die aufgeheizte Luft bricht das Licht stärker und leichte Luftverwirbelungen sorgen für das Flimmern. Der gleiche Effekt lässt auch die Sterne funkeln, da auch hier unterschiedlich warme Luftschichten in der Atmosphäre verwirbeln.

    Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt nah am Horizont, da hier das Licht die bodennahen, aufgeheizten Luftschichten durchdringt. Hier ist die Lichtbrechung so stark, dass wir sogar Sterne am Himmel sehen können, die geometrisch gesehen bereits unter dem Horizont liegen. Das gilt sogar für die Sonne: Während wir den Sonnenuntergang beobachten, befindet sie sich bereits hinter dem Horizont. Dass die Lichtbrechung nah der Erde besonders hoch ist, kannst du auch beobachten: Die Sonne sieht beim Sonnenuntergang nicht mehr rund, sondern abgeflacht aus. Der untere Teil wirkt breiter.

    Ein anderer Effekt ist seltener zu beobachten: Am Ende des Sonnenuntergangs, wenn die Sonne gerade verschwindet, kann ein grünes Leuchten beobachtet werden. Dies sind die letzten Sonnenstrahlen. Da das grüne, kurzwellige Licht stärker gebrochen wird, kann man es als letztes beobachten. Blaues Licht, das eine noch kürzere Wellenlänge hat, wird von der Atmosphäre gestreut und kann deshalb nicht beobachtet werden.

  • Deute das folgende Phänomen im Glas.

    Tipps

    Eine größere Brechzahl bedeutet, dass ein Lichtstrahl beim Übergang von der Luft stärker abgelenkt wird.

    Lösung

    Betrachtet man das Glas von der Seite, so nimmt man Lichtstrahlen wahr, die aus der Luft in eine der beiden Phasen übergehen, am Löffel reflektiert werden, wieder in die Luft übergehen und vom Auge wahrgenommen werden. Da der Lichtstrahl entsprechend dem Brechungsgesetz abgelenkt wird, erscheint der Löffel versetzt im Vergleich zu dem Teil des Löffels, der nicht in die Flüssigkeiten taucht.

    Wichtig ist, dass wir von der Seite nur den Übergang von der Luft zu einer der beiden Phasen beobachten. Die Lichtstrahlen, die beim Betrachten von der Seite wahrgenommen werden, gehen nicht durch die Luft und beide Phasen, werden also nicht an der Grenzschicht beider Phasen gebrochen. Daher sagt uns der Grad der Versetzung etwas über den Brechungsindex aus. Der Löffel erscheint in der oberen Phase stärker versetzt als in der unteren, daher werden die Lichtstrahlen im oberen Medium stärker abgelenkt. Dies spricht für einen größeren Brechungsindex in der oberen Phase.

    Der dargestellte Versuch ist also ein Beispiel dafür, wie man mit einfachen Mitteln den Brechungsindex von zwei Flüssigkeiten vergleichen kann.

  • Erkläre das Funktionsprinzip eines Refraktometers.

    Tipps

    Die gleichzeitige Detektion von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge ist technisch schwierig.

    Lösung

    Das Prisma zerlegt das weiße Licht in Licht unterschiedlicher Farben, wie in der Abbildung gezeigt. Dies ist mit der unterschiedlich starken Brechung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu erklären. Der Winkel, um den das rote Licht abgelenkt wird, unterschiedet sich stark vom Winkel, unter dem das blaue Licht abgelenkt wird.

    Bei Messungen mit dem Refraktometer kommt es auf sehr exakte Ergebnisse an. Wird Licht mit mehr als einer Wellenlänge verwendet, lässt sich das Ergebnis schlechter auswerten, da die resultierenden Lichtstrahlen nach der Brechung nah beieinander liegen können. Die Verwendung von Licht mit mehr als einer Wellenlänge und die simultane Bestimmung mehrerer Brechungsindices ist daher nicht genau genug.

    Prismen brechen das Licht stärker. Dies macht man sich bei vielen Refraktometern zunutze. Allerdings sind nicht die Messküvetten prismenförmig, sondern das Licht wird durch ein Glasprisma und durch eine dünne Schicht der Probe geleitet. Bei einigen Refraktometern ist das Glasprisma zerschnitten und die Probe wird im Glasprisma platziert.