Índice de Refracción: Definición y Cómo Calcularlo

El índice de refracción se define como el cociente de la velocidad de la luz cuando pasa a través de dos medios. Es un número adimensional que depende de la temperatura y de la longitud de onda de la luz. Resumiendo, el índice de refracción define la rapidez con la que un haz de luz viaja a través de los medios, y esta relación se describe mediante la fórmula:

n = c/v

Donde:

n es el índice de refracción
c es la velocidad de la luz en un vacío (o aire)
v es la velocidad de la luz en los medios (por ejemplo, agua, aceite de oliva, etc.)

En esta página, descubrirá conceptos básicos sobre el índice de refracción y las mediciones del índice de refracción.

Obtenga más información sobre la definición del índice de refracción, sus aplicaciones, cómo medirlo y mucho más.

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Esta guía gratuita le ayudará a obtener más información sobre la refractometría, incluida la forma de evitar errores al medir el índice de refracción.

El índice refractivo y el índice de refracción son nombres diferentes para lo mismo, como se indicó con anterioridad. El término que se use depende en gran medida de su ubicación. Por ejemplo, en los EE. UU. se suele usar el “índice de refracción”, mientras que en la India tienden a usar el “índice refractivo”. En este artículo se empleará “índice de refracción” principalmente.

La refractometría es un método analítico que se usa para medir el índice de refracción de una muestra a fin de determinar su composición o pureza. La refractometría es una técnica cualitativa y no destructiva que se basa en la ley de Snell.

En el método de refractometría, que se usa principalmente en la industria con fines de control de calidad, se emplea un refractómetro. Hablaremos de la refractometría y el uso de refractómetros en los capítulos siguientes.

Antes de adentrarnos en la explicación técnica sobre el índice de refracción, veamos un ejemplo visual en el que se muestra la velocidad de la luz y el efecto del índice de refracción en diferentes medios.

En este ejemplo, las varillas de vidrio se sumergen en tres vasos llenos con diferentes medios:

Medios de los vasos
1 Agua
2 Agua y aceite de cedro
3 Aceite de cedro

¿Qué ocurre en cada vaso?

El agua tiene un índice de refracción más bajo (n = 1,333) que la varilla de vidrio (n = 1,517). Por tanto, se puede ver toda la varilla en el vaso 1 y parte de la varilla en el vaso 2.

Por otro lado, la varilla de vidrio (n = 1,517) y el aceite de cedro (n = 1,516) tienen índices de refracción casi idénticos. Esto hace que la varilla sumergida parezca que desaparece en el aceite de cedro (parcialmente en el vaso 2 y por completo en el vaso 3).

Según la ley de Snell (explicada anteriormente), los refractómetros se desarrollaron para calcular el índice de refracción de líquidos y muestras semisólidas.

Una célula de medición de un refractómetro digital tiene una configuración esquemática basada en la ley de Snell. Por lo tanto, se apoya en la reflexión interna total y en el ángulo crítico. Veamos cómo funciona:

La fuente de luz (1) es un diodo emisor de luz (LED). El haz de LED emitido pasa a través de un filtro de polarización (2), un filtro de interferencia (3) y lentes focales (4) antes de llegar a la muestra a través del prisma de zafiro (5).

La luz reflejada (ángulo de incidencia > ángulo crítico) se desvía mediante una lente (6) al sensor óptico de CCD (7) que determina el ángulo crítico. Asimismo, los refractómetros digitales modernos controlan automáticamente la temperatura en el límite del prisma o la muestra para mejorar la exactitud de la medición.

Un refractómetro digital utiliza el método de reflexión total para medir el índice de refracción o los valores relacionados de una muestra líquida. Esta medición se realiza de forma automática, lo que reduce la influencia del operario y mejora la exactitud. Mediante un volumen de muestra pequeño (de 0,5 a 1 ml), se llevan a cabo mediciones de gran exactitud del índice de refracción en cuestión de segundos.

También se pueden usar refractómetros manuales, como uno de Abbe óptico de sobremesa o uno de mano tradicional, para medir el índice de refracción. Obtenga más información sobre sus ventajas y desventajas.

Entonces, ¿cuál es la relación entre la temperatura y la determinación del índice de refracción?

En primer lugar, tenemos que comprender el efecto que tiene la temperatura en una muestra líquida. La temperatura influye en el espacio en el que los átomos se unen para crear una molécula. La vibración atómica aumenta a medida que lo hace la temperatura, lo que provoca que los átomos se separen más y el valor de la densidad óptica del medio de muestra se reduzca.

Como se ha indicado anteriormente, el índice de refracción define la rapidez con la que un haz de luz viaja a través del medio. Si un medio es menos denso ópticamente debido a un aumento de la temperatura, la luz viajará más rápido, lo que hace que el ángulo desviado cambie ligeramente. En otras palabras, cuanto mayor es la temperatura, menor es el índice de refracción, como se muestra en el siguiente gráfico, en el que se emplea agua como medio de muestra.

Como puede observar, la temperatura de la muestra tiene un efecto importante en el procedimiento de medición. Por lo tanto, la temperatura debe medirse con exactitud y, si es posible, controlarse.

Los instrumentos más antiguos, como los refractómetros de Abbe, pueden requerir un baño termostático para controlar la temperatura, mientras que muchos refractómetros digitales modernos usan elementos Peltier para controlar la temperatura del sistema. Esto asegura una determinación rápida y exacta del valor del índice de refracción.

En una medición del índice de refracción, la longitud de onda del haz de luz es importante debido al efecto de dispersión sobre las propiedades de las ondas en un medio (lo que se conoce como relación de dispersión). Casi todas las sustancias tienen diferentes índices de refracción que también difieren en función de la longitud de onda usada. Esta relación de dispersión se puede calcular de la siguiente manera.

Sabemos que la velocidad de la luz en un medio es:

v = c/n

Donde:
n es el índice de refracción
c es la velocidad de la luz en un vacío (o aire)
v es la velocidad de la luz en los medios

Del mismo modo, la longitud de onda en el mismo medio es:

λ = λ₀/n

donde λ₀ es la longitud de onda de esa luz en un vacío (o aire).

Por lo tanto, el índice de refracción (n) es inversamente proporcional a la longitud de onda y también a la velocidad de la luz. Esto significa que cuanto mayor es la longitud de onda, menor es el índice de refracción. Esta relación se representa media la ecuación:

v(λ) = c/n(λ)

Sin embargo, cuando se trata de aplicaciones industriales en las que se requiere la medición del índice de refracción, resulta necesario tener una longitud de onda definida y precisa para permitir que la medición del índice de refracción de diferentes muestras se analice bajo las mismas condiciones para el control de calidad.

Para generar una longitud de onda definida, los refractómetros generalmente usan la línea D de sodio, que corresponde a 589,3 nm. Esta se ha usado durante mucho tiempo en el estudio del índice de refracción, puesto que es una fuente de luz estable, fiable y se puede conseguir fácilmente.

n = el índice de refracción

t = temperatura (°C)

D = la línea D de sodio

No obstante, el índice de refracción se suele representar de manera más simple como nD.

Con la medición del índice de refracción se comprueba la pureza y la concentración de muestras líquidas, semilíquidas y sólidas. Los valores del índice de refracción también se pueden determinar para los gases. Las muestras líquidas y semilíquidas se pueden medir con gran exactitud (por ejemplo, hasta ±0,00002) con el uso de un refractómetro digital. Las muestras de gases y sólidos requieren instrumentos o accesorios especializados para una medición exacta del índice de refracción.

Asimismo, el índice de refracción se puede correlacionar con una amplia variedad de concentraciones que se pueden usar para caracterizar muchas muestras distintas en varias industrias y aplicaciones diferentes, tales como:

• Alimentos y bebidas: mediciones de Brix (contenido de azúcar) de los refrescos o los grados Oechsle del mosto de uva usado en la elaboración del vino.
• Productos químicos: determinación del punto de congelación (⁰C o ⁰F), la concentración de ácido/base o la presencia de disolvente orgánico y sal inorgánica en porcentajes de p/p o v/v.
• Productos farmacéuticos: medición de porcentajes de peróxido de hidrógeno o metanol, o evaluación de concentraciones de distintas sustancias en la orina humana.

Además, en el caso de algunas aplicaciones, la combinación del índice de refracción con una medición de la densidad da lugar a una técnica de control de calidad simple pero poderosa. Estas determinaciones se pueden automatizar por completo.

Además de la escala Brix, existen otras escalas comparables para indicar el contenido de sacarosa en una muestra, como los grados Plato, Baumé, Oechsle y Balling. Obtenga más información sobre sus diferencias, cálculos, uso y cómo medir.

El índice de refracción absoluto se calcula con referencia al vacío en el que la luz se propaga con la mayor velocidad posible de 299 792 458 metros por segundo (la velocidad de la luz). Sin embargo, en la práctica, el aire que respiramos también se considera un medio de referencia, aunque la luz se propaga a una velocidad ligeramente más lenta (1,0003 veces más lenta) que a través del vacío.

De este modo, podemos decir que el índice de refracción absoluto mide cuántas veces la velocidad de la luz es mayor en el vacío (o en el aire) que en cualquier otro medio.

A continuación, se muestra un ejemplo práctico del índice de refracción absoluto del agua a 20 °C, mediante el cual sabemos que la luz viaja a 2,25 × 10⁸ m/s.

Esto significa que la luz viaja 1,33333 veces más lento a través del agua que del vacío (o aire).

El índice de refracción relativo se define como la relación de las velocidades de la luz entre dos medios que no sean el vacío (o el aire). Por ejemplo, se puede medir el índice de refracción del aceite de oliva en relación con el del agua. No obstante, no hay ningún uso práctico para medir el índice de refracción relativo en aplicaciones industriales.

Los instrumentos digitales modernos pueden determinar fácilmente el índice de refracción de los líquidos con un elevado grado de exactitud. Sin embargo, los instrumentos de alta resolución no suponen ninguna garantía de resultados exactos. También se deben aplicar buenos principios de medición.

Por ejemplo, ¿sabía que una limpieza insuficiente del prisma, o la simple limpieza de la muestra anterior con un paño, puede falsificar drásticamente la siguiente medición?

Dado que estos instrumentos miden el ángulo de reflexión total en la superficie del prisma, incluso la capa más fina de una antigua muestra puede repercutir de manera significativa en la medición del índice de refracción de cualquier muestra nueva que se añada encima.

Descargue la guía de medición del índice de refracción, en la cual encontrará trucos y consejos útiles para evitar errores en la medición del índice de refracción de líquidos.

Tanto si trabaja con productos químicos, alimentos, bebidas u otros productos que puedan ser pastosos o líquidos, hay detalles importantes que se deben tratar para mejorar los análisis de índice de refracción. En estos se incluyen preguntas como:

• ¿Con qué frecuencia debo calibrar el instrumento?
• ¿Qué disolvente debo usar para limpiar el prisma o la célula de medición?
• Si mi muestra es pastosa o viscosa, ¿cuál es el mejor método de medición?

Las respuestas a estas preguntas pueden afectar directamente a las determinaciones. Consulte nuestro folleto interactivo que da respuesta a las preguntas más frecuentes sobre el índice de refracción, los grados Brix y las mediciones de densidad.