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la rifrattometria: l’approccio più speditivo per misurare una concentrazione

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Con poca spesa, poche conoscenze di chimica ed anche poco tempo a disposizione, sono molte le informazioni che possiamo ricavare su un campione incognito misurando in pochi istanti 3 parametri semplici semplici: grado brix, conduttività e pH.
Inutile dire che il campione deve essere liquido, e se è un solido deve essere facilmente solubile in acqua.

rifrazione_matita_acqua Quella del grado rifrattometrico è probabilmente una delle misure con il migliore rapporto fra utilità e costo (inteso sia come tempo richiesto per la misura che come valore economico delle attrezzature) che un non-chimico possa individuare per rispondere alla fondamentale ma tutt’altro che banale domanda: quanto concentrato sarà il mio prodotto?

In altri contesti uno degli approcci utilizzabili per sapere quanto è concentrata una soluzione acquosa è quella di fare evaporare tutta l’acqua e di misurare il peso del residuo secco ottenuto. Ad esempio evaporando 100 g di acqua marina si ottengono all’incirca 3,5 g di residuo secco salino, da cui ricaviamo una concentrazione del 3,5% circa del sale nel campione originale.
Ma non tutti i prodotti si possono evaporare facilmente, sia per ragioni di tempo che per ragioni di preservazione del materiale stesso dalla degradazione, fino ad arrivare al caso, di solito la norma per gli zuccheri, di prodotti che non asciugherebbero mai bene fino a secchezza, tendendo invece a formare prodotti via via più viscosi ed appiccicosi, in pratica delle melasse ingestibili simili al miele.
Con la tecnica rifrattometrica invece si lavora direttamente sulla soluzione acquosa, tal quale, di solito senza essiccarla né diluirla, e nella maggior parte dei casi senza neppure filtrarla.

Veniamo ora al principio fisico sul quale si basa questa misura.
Avete presente quando un oggetto immerso in parte in un liquido ma che emerge per l’altra parte, ad esempio la matita blu nel bicchiere della figura oppure una persona i piscina, sembra in qualche modo “spezzata”? rifrazione_immagine_acqua Se guariamo un po’ meglio, magari spostando il punto di osservazione rispetto all’oggetto, possiamo anche vedere una situazione come quella della matita gialla, che non dipende per l’appunto né dalla matita né dal bicchere utilizzati ma solo dalla posizione dell’osservatore rispetto al piano dell’acqua: in questo caso quello che si percepisce è come un’interruzione della linearità della matita, come se la parte immersa nel liquido formasse un angolo rispetto alla sua prosecuzione fuori dall’acqua. Ecco: questo angolo è detto angolo di rifrazione, esiste per tutti i liquidi ed anche per l’acqua pura, e se riuscissimo a misurarlo scopriremmo che il suo valore numerico, fermo restando il tipo di liquido scelto, è proporzionale alla concentrazione delle sostanze solide sciolte in esso. Per esempio se nell’acqua del bicchiere dovessimo sciogliere dello zucchero, questo angolo dovrebbe risultare sempre più ampio, ovvero la matita gialla dovrebbe apparire sempre più spezzata.

angolo_di_rifrazione La misura dell’angolo di rifrazione in un liquido è effettuata con l’ausilio di strumenti di misura detti rifrattometri, disponibili nelle versioni ottica o ottico-digitale, questi ultimi dotati al loro interno sia di una piccola sorgente luminosa che di un sensore in grado di verificare, dopo il passaggio attraverso il liquido da valutare, dove sia andato a cadere il raggio rifratto e quindi di quale angolo di rifrazione abbia deviato dalla sua traiettoria incidente.

Abbiamo detto che questo fenomeno e quindi il valore numerico del grado rifrattometrico misurato è proporzionale alla concentrazione della sostanze solide disciolte. Ma precisamente quali sostanze? Potenzialmente tutte, inorganiche ed organiche, dagli zuccheri ai sali, dagli acidi organici alle proteine… in vero la rifrattometria è una delle tecniche in assoluto più universali che si conoscano, in quanto potenzialmente tutte le sostanze solubili in un determinato solvente, nel nostro caso nell’acqua, sono in grado di contribuire all’aumento del grado di rifrazione.
L’unità di misura adottata è il grado brix (°Bx) in onore del chimico francese Adolf Ferdinand Wenceslaus Brix e, nel caso del saccarosio per il quale è stata tarata inizialmente la tecnica, 1 °Bx equivale “esattamente” all’1% peso/peso di saccarosio, ovvero ad 1 grammo di saccarosio per 100 g di soluzione acquosa.
Quasi per tutti i carboidrati semplici il cosiddetto “fattore di risposta” può essere inteso uguale ad 1 come per il saccarosio, ovvero ad ogni grado brix corrisponde un’unità percentuale di prodotto in soluzione; per altri soluti molto diversi, per esempio composti inorganici come sali, oppure per acidi organici o quant’altro di solubile ci possa essere, il fattore di risposta potrà differire da 1, come nell’esempio di un generico “soluto N” riportato in grafico, per il quale il fattore di risposta di 0.75 sta ad indicare che per ogni g/100g (o %) di concentrazione corrispondono 0.75°Bx (es. 30°Bx corrispondo o a 40 g/100g).
retta_brix_concentrazione

Sempre previa costruzione di una retta di calibrazione come questa è possibile utilizzare la misurazione del grado rifrattometrico anche per valutare la concentrazione di prodotti più complessi e multicomponenti: ricordo per esempio un caso in cui il grado brix veniva utilizzato per stimare “a posteriori” la concentrazione alla quale il latte in polvere era stato sciolto in acqua.
Precedentemente erano state preparate alcune (almeno 3) soluzioni a diversa concentrazione dello stesso tipo di latte in polvere ed erano stati misurati i gradi rifrattometrici di ciascuna soluzione. Unendo in grafico i punti con una retta (se non possono stare su un’unica retta si dice che la risposta non è lineare, ed il metodo purtroppo non può essere utilizzato) si era quindi determinato il fattore di risposta come rapporto concentrazione / °Bx. Un campione di latte a diluizione incognita era quindi passato al rifrattometro per la determinazione del grado brix e questo valore, moltiplicato per il fattore di risposta, forniva una stima della concentrazione di latte in polvere impiegata nella diluizione.
Questo esempio del latte rende ancora meglio il significato di uno dei sinonimi con il quale il grado rifrattometrico o grado brix viene chiamato comunemente, ovvero il “secco rifrattometrico”.

Una delle applicazioni tradizionali più frequenti per le quali si ricorre alla misurazione del grado rifrattometrico è quando si desidera valutare il grado zuccherino di uno sciroppo o di altri prodotti agro-alimentari ad elevato tenore carboidrati semplici, come ad esempio un miele o un mosto d’uva. rifrattometro_digitale_tascabile Sono infatti poche le analisi chimiche che con la stessa velocità, semplicità ed economicità ci possano fornire un responso relativo alla concentrazione di sostanze estremamente solubili, senza neppure richiedere una diluizione preliminare del campione. In pratica oggigiorno, con la spesa di poche decine di euro si può acquistare un apparecchietto elettronico compatto, tascabile e facile da usare, che non coprirà sicuramente l’intera fascia da 0 a 99 brix e limiterà la risoluzione nel migliore dei casi ai primi decimali… l’importante è scegliere da subito il modello adatto, quello che consente di esplorare il range di concentrazioni che più ci interessa: se lavoriamo nel campo enologico, per esempio, ben difficilmente si interesserà spingerci al di sopra dei 30 brix, mentre potrebbe risultare importante una buona risoluzione e precisione almeno nel range 8-16 brix. Solitamente è sufficiente appoggiare una goccia di campione liquido su di una finestrella di materiale trasparente e premere un pulsante: in pochi istanti il valore del grado brix sarà visualizzato su di un display digitale.
rifrattometro_ottico_moderno
rifrattometrici_ottici I sistemi tradizionali utilizzavano invece complessi sistemi ottici con lenti e ghiere da ruotare manualmente: dopo aver deposto la goccia su un vetrino si doveva di solito guardare all’interno di un oculare e ruotare una ghiera graduata finchè l’immagine visualizzata in due tronconi (ad esempio una linea spezzata, come nelle vecchie macchine fotografiche con messa a fuoco manuale) tornava a ricomporsi, ed a questo punto si leggeva sulla ghiera il valore di brix corrispondente.

2 risposte a la rifrattometria: l’approccio più speditivo per misurare una concentrazione

  • luigini braccioforte scrive:

    Forse mi distolgo un po’dall’argomento ma mi chiedevo:una soluzione zuccherina puo subire concentrazione senza evaporazione??

  • pagano rino scrive:

    Buongiorno, vorrei sapere se esistono rifrattrometri per la misurazione delle materie minerali ovvero dei sali presenti nel siero di latte.
    Grazie
    Rino PAGANO

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