Le réfractomètre, son fonctionnement et son rôle dans l'industrie alimentaire

Jun 13, 2023

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Un réfractomètre est un appareil utilisé pour mesurer l'indice de réfraction (n) d'une substance. Cette propriété physique peut être utilisée pour effectuer diverses évaluations, par exemple pour déterminer la pureté d'une substance (en comparant sa valeur n avec une valeur standard) ou pour aider à identifier une substance inconnue en comparant sa valeur n à des valeurs de référence. 1 Les réfractomètres sont polyvalents dans leur conception et leur utilisation et sont capables de fournir des résultats sous forme d'indices de réfraction ou, dans d'autres cas, de mesures directes de paramètres tels que les solides solubles, la concentration en sucre ou la salinité.

Comment fonctionne un réfractomètre, l'indice de réfraction et le rôle de la loi de Snell

L'indice de réfraction d'une substance est déterminé par le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière traversant la substance d'essai, comme décrit dans l'équation 1.

Indice de réfraction (n) = (Vitesse de la lumière dans le vide) (Vitesse de la lumière dans la substance d'essai)

Équation 1 : Définition de l'indice de réfraction d'une substance en utilisant les vitesses de la lumière.

Lorsque la lumière se déplace d’un milieu à un autre, elle change non seulement de vitesse mais aussi de direction, ce qui entraîne une réfraction. Ce phénomène est représenté par la figure 1, où un faisceau lumineux traverse les milieux A et B aux vitesses respectivement vA et vB.

Selon la loi de Snell, la relation entre les sinus de l'angle d'incidence et de l'angle de réfraction est égale à l'indice de réfraction du deuxième milieu.2 En considérant un plan perpendiculaire à l'interface, les faisceaux incident et réfracté forment des angles θA et θB, et les indices de réfraction des milieux A et B (nA et nB), la relation suivante peut être établie (équation 2) :

sin⁡θA = nB = VAsin⁡θB nA VB

Équation 2 : Formule de la loi de Snell.

L'équation ci-dessus montre que l'indice de réfraction d'une substance peut être trouvé en mesurant les angles d'incidence et de réfraction plutôt qu'en mesurant la vitesse de la lumière.

Pour mieux comprendre les principes de fonctionnement des réfractomètres, il existe un autre concept fondamental à considérer : l’angle critique. À mesure que l’angle d’un faisceau lumineux incident augmente, l’angle de réfraction augmente également (voir Figure 2A). À un angle d'incidence spécifique, l'angle de réfraction atteint 90°, ce qui est l'angle de réfraction maximum possible. À ce point particulier, appelé angle critique, le faisceau lumineux se déplace parallèlement à l'interface et toute augmentation supplémentaire de l'angle d'incidence se traduira par une réflexion de la lumière.3 Si l'on considère maintenant un prisme éclairé en contact avec un liquide ( Figure 2B), les faisceaux se déplaçant en dessous de l'angle critique sont réfractés et les faisceaux se déplaçant au-dessus de l'angle critique sont réfléchis. Lorsqu'il est observé depuis la bonne position, l'angle critique peut être visualisé comme une transition entre les régions sombres et claires. En connaissant l'indice de réfraction du prisme (nA) ainsi que l'angle de réfraction θB à l'angle critique (c'est-à-dire 90°), l'indice de réfraction du liquide (nB) peut maintenant être déterminé. Cette relation établit le principe de fonctionnement de la plupart des réfractomètres.4

Pour déterminer avec précision l'indice de réfraction d'une substance, des considérations supplémentaires doivent être prises en compte, notamment en raison de la dépendance de cette propriété sur la température et la longueur d'onde de la lumière utilisée pour la mesurer. Il faut donc veiller à contrôler ou compenser les variations de température et de longueur d’onde.1

L'indice de réfraction est spécifique à une substance, ce qui fait de cette propriété une méthode simple et efficace pour caractériser les matériaux et évaluer leur pureté. Lorsque l’échantillon testé est un simple mélange de deux composants, tels que l’eau et le sucre ou l’eau et l’alcool, le premier choix pour leur caractérisation est un réfractomètre. Bien que des mélanges plus complexes puissent produire des déterminations moins précises, les réfractomètres peuvent toujours donner des approximations acceptables de la concentration en soluté, adaptées au contrôle qualité. C'est pour cette raison que les réfractomètres sont utilisés en laboratoire, dans les industries et dans les domaines de production car ils sont simples à utiliser, nécessitent peu d'entretien et fournissent des résultats rapides. L'indice de réfraction d'une solution est généralement directement proportionnel à sa concentration volumique (m/V), qui peut être convertie en concentration massique (m/m) lorsqu'elle est multipliée par un facteur de densité. Cette relation permet la comparaison mutuelle des données d'indice de réfraction et de densité spécifique. La densité relative, ou densité relative, d'une substance est le rapport de la densité à celle d'une substance standard, généralement de l'eau à 4 °C. La densité relative d'un liquide peut être déterminée à l'aide d'un densimètre, qui est un appareil constitué d'un tube de verre scellé avec une ampoule fixée au fond, agissant comme un lest. Ces appareils ont une densité spécifique et, sur la base de la flottabilité d'un densimètre, la densité du liquide dans lequel il est placé peut être lue sur une échelle imprimée dessus. Alternativement, la densité d'un liquide peut être déterminée à l'aide d'un pycnomètre, qui est un récipient en verre d'un volume spécifié et d'un bouchon spécial qui permet de remplir complètement le récipient et aux bulles de gaz de s'échapper. Cet appareil permet de mesurer un volume très précis, permettant ainsi de déterminer la densité spécifique d'un fluide.6 La densité spécifique et l'indice de réfraction peuvent être utilisés pour déterminer la composition de mélanges binaires, ce qui est essentiel dans le contrôle des processus et les évaluations de la qualité. . Les densimètres sont peu coûteux et simples à utiliser, ce qui les rend idéaux pour les brasseurs amateurs, par exemple. Cependant, la réfractométrie permet des déterminations plus rapides et plus directes, nécessite des échantillons beaucoup plus petits que les mesures de densité spécifique et peut être plus portable, ce qui en fait le choix préféré pour la plupart des applications industrielles et de production alimentaire.