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Wie funktioniert eigentlich ein Refraktometer?

Im Schwimmbad verlieren Sie den Schlüssel für Ihren Umkleideschrank. Im flachen Beckenteil sehen Sie ihn auf dem Boden liegen, wollen danach greifen und greifen daneben. So einfach lässt sich die Brechung von Licht an der Grenzfläche von zwei verschiedenen Materialien erklären. Wäre das Schwimmbad mit Salzwasser gefüllt, verschöbe sich das Abbild des Schlüssels noch weiter.

Refraktometrie Messprinzip

Licht bewegt sich in Materialien unterschiedlicher Dichte unterschiedIich schnell. Im Vakuum immerhin mit 299 792 458 m/s, in Wasser hingegen „nur“ mit 225 000 000 m/s. Trifft der Strahl eines Lichts definierter Wellenlänge in einem festgelegten Winkel auf eine Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien, so verändert sich der Winkel des Strahls in Abhängigkeit der Brechzahl der Medien zueinander. Das Gesetz von Snellius beschreibt diese Gesetzmäßigkeit:

n1∙ sin δ1 = n2∙ sin δ2
wobei δ1 den Winkel α und δ2 den Winkel β bezeichnet.

Da es sich bei gleichbleibenden Bedingungen und bekannten Materialeigenschaften immer um einen konstanten Wert handelt kann man durch Umstellung des Gesetzes den Brechungsindex eines unbekannten zweiten Mediums messen. Einstrahlwinkel und Ausstrahlwinkel lassen sich messtechnisch abbilden, der Brechungsindex des einen Materials (dem Prisma des Refraktometers) ist bekannt und somit ist nach Umstellung der Formel die Berechnung des Brechungsindex des unbekannten Materials reine Mathematik.

Die Messung des Brechungsindex ist abhängig von der Temperatur und der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Die Bestimmung der Brechzahl gibt Aufschluss über die Reinheit einer Substanz, nicht aber über die genaue Zusammensetzung. Der Brechungsindex von Wasser beträgt bei 20 °C 1.33 nD. Eis hat einen Brechungsindex von 1,31 nD. Gibt man zu reinem Wasser Zucker hinzu, verändert sich der Brechungsindex in Abhängigkeit von der zugegebenen Menge. Gibt man Salz ins Wasser verändert sich der Brechungsindex ebenfalls, aber in einem anderen Verhältnis zur Konzentration.

Das bedeutet: Wenn reines Wasser bei 20 °C keinen Brechungsindex von 1,33 nD aufweist, ist es mit irgendetwas „verunreinigt“.

Im Regelfall dient die Bestimmung des Brechungsindex zur schnellen und zuverlässigen Überprüfung der Reinheit einer Substanz. Die Streckung von Sonnenblumenöl mit billigen Ölen lässt sich auf diese Weise ebenso nachweisen, wie der Zuckergehalt einer Marmelade im Laufe des Produktionsprozesses.
Ein weiteres Beispiel: Bei 20 °C hat Cyclohexan den gleichen Brechungsindex wie eine 52,9 %ige Zuckerlösung. Man kann also ohne Kenntnis der Substanz, die man misst, keine Aussage über die Substanz oder eventuelle Beimischungen machen. Einer der größten Einflussfaktoren auf den Brechungsindex ist die Temperatur. Jede Substanz hat hierbei ein spezifisches Temperaturverhalten.

40 % Brix Zuckerlösung

TemperaturBrechungsindex
20,0 ºC1,39986 nD
20,1 ºC1,39985 nD
21,0 ºC1,39971 nD
ΔnD = 0,00015 / ºC

Paraffin-Öl

TemperaturBrechungsindex
20,0 ºC1,48001 nD
20,1 ºC1,47997 nD
21,0 ºC1,47965 nD
ΔnD = 0,00036 / ºC

Eine temperaturkorrigierte Skala in einem Refraktometer ist also immer spezifisch für eine Substanz und nie universell zu betrachten.

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