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Lexikon der Chemie: Refraktometrie

Refraktometrie, optische Meßmethode, die sich mit der Bestimmung von Brechungszahlen (auch Brechzahl, Brechungsverhältnis, Brechungsexponent oder Brechungsindex genannt,) und ihrer Anwendung beschäftigt.



Refraktometrie. Abb.: Strahlengang bei der Brechung.

Meßprinzip. Tritt monochromatisches Licht (Abb.) aus einem Medium mit der Lichtgeschwindigkeit c1 in ein anderes mit der Lichtgeschwindigkeit c2 ein, so wird der Lichtstrahl – abgesehen von der auftretenden Reflexion – nach dem Gesetz von Snellius gebrochen: sinα/sinβ = c1/c2 = n21. Dabei ist n21 die relative Brechungszahl des Stoffes 2 gegen den Stoff 1. Ist das dünnere Medium Vakuum oder Luft, in denen die Lichtgeschwindigkeiten praktisch gleich sind, so erhält man die absolute Brechungszahl des dichteren Stoffes. Die Brechungszahlen liegen für die meisten Stoffe zwischen 1,3 und 1,7 (Tab.). Geräte zur Messung der Brechungszahl sind Refraktometer. Die gebräuchlichsten von ihnen, das Abbé und das Pulfrich-Refraktometer, beruhen auf der Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion. Auf einem anderen Prinzip beruhen die Interferenzrefraktometer, mit denen refraktometrische Messungen hoher Genauigkeit vor allem an Gasen vorgenommen werden.

Refraktometrie. Tab.: Brechungszahlen einiger Stoffe bei 20 °C.

Stoff
(656,3 nm)
nD
(589 nm)

(486,1 nm)

(434,1 nm)
Quarz 1,5418 1,5442 1,5497 1,5440
Diamant 2,4108 2,4190 2,4408 2,4499
Flintglas 1,6202 1,6252 1,6378 1,6481
Wasser 1,3312 1,3330 1,3371 1,3403
Cyclohexan 1,4241 1,4262 1,4319 1,4362
Benzol 1,4965 1,5012 1,5132 1,5229
Hexan 1,3731 1,3749 1,3795 1,3832
Kohlenstoff-
tetrachlorid
1,4576 1,4603 1,4671 1,4719
Essigsäure 1,3695 1,3718 1,3762 1,3794
Essigsäure-
ethylester
1,3705 1,3730 1,3768 1,3799

Die Brechungszahl ist von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes und von der Temperatur abhängig. Beide Größen werden deshalb als Index an die Brechungszahl n angehängt. n25089 bedeutet, daß n bei 20 °C und einer Wellenlänge von 589 nm gemessen wurde. Neben der Na-D-Linie bei 589 nm werden noch verschiedene Linien des Wasserstoffs für refraktometrische Messungen verwendet, so die rote Ha-Linie bei 656,3 nm, die grüne Hβ-Linie bei 486,1 nm sowie die blaue Hγ-Linie bei 434,1 nm.

Für eine große Anzahl von Flüssigkeiten wurde gefunden, daß ein Ansteigen der Temperatur um 1 °C ein Absinken der Brechungszahl um 3,5·10-4 bis 5,5·10-4 mit sich bringt. Um die Brechungszahl bis 10-4 genau angeben zu können, muß deshalb die Temperatur während der Messung auf ±0,2 °C konstant gehalten werden.

Anwendung. In der Analytik dienen refraktometrische Messungen vornehmlich als Mittel zur Identifizierung und Reinheitsprüfung von Stoffen, z. B, bei der Reinheitsprüfung von Fetten und Ölen oder in der Erdölanalytik. Refraktometer werden als Detektoren bei Stofftrennungen, z. B. in der Flüssigchromatographie, verwendet. In der Prozeßanalytik arbeitet man mit Durchflußrefraktometern, die die kontinuierliche Messung der Brechungszahl an einer durchfließenden Probe gestatten. Der Zusammenhang von Brechungszahl und Konzentration ist in Stoffgemischen, in denen die Stoffe nur eine geringe Wechselwirkung aufeinander ausüben, durch nges = γ1n1 + γ2n2 gegeben, so daß auch quantitative Bestimmungen möglich sind [γ1(2) = Molenbruch der Komponente 1 (2)]. Bei Abweichungen vom idealen Verhalten muß der Zusammenhang zwischen Brechungszahl und Konzentration empirisch mit Eichkurven ermittelt werden. Ein Beispiel für eine häufig ausgeführte quantitative refraktometrische Analyse ist die Bestimmung des Zuckergehaltes in wäßriger Zuckerlösung.

Empirisch wurde nachgewiesen, daß sich die Molrefraktion für organische Verbindungen additiv aus einzelnen Atomrefraktionen zusammensetzt (Polarisation).

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