El índice de refracción del agua desionizada describe cómo cambia la velocidad y la dirección de propagación de la luz al atravesar este líquido. En agua, el valor de referencia habitual es aproximadamente 1,333 a 20 °C, aunque la cifra exacta depende de la temperatura, la longitud de onda de la luz y el grado de pureza del agua.
El índice de refracción es una constante física que se emplea a menudo como criterio de pureza. El índice de refracción (una medida de cómo los materiales transparentes desvían las ondas de la luz) se ve también afectado por los solutos del agua.
Qué significa el índice de refracción
En óptica, el índice de refracción de un material es un número adimensional que describe qué tan rápido viaja la luz a través del material. Se define como:
n = c/v
donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad de fase de la luz en el medio. Por ejemplo, el índice de refracción del agua es 1.333, lo que significa que la luz viaja 1.333 veces más lento en el agua que en el vacío.
Aumentar el índice de refracción corresponde a disminuir la velocidad de la luz en el material. El índice de refracción determina cuánto se dobla o refracta la trayectoria de la luz al entrar en un material.
Valor del índice de refracción del agua
El agua desionizada está formada esencialmente por moléculas de agua a las que se han retirado la mayoría de los iones disueltos. Por ello, su índice de refracción se aproxima al del agua pura, pero no existe un único valor independiente de las condiciones de medida.
| Material o condición | Índice de refracción |
|---|---|
| Vacío | 1,00000 |
| Aire a STP | 1,00029 |
| Agua a 20 ºC | 1,33 |
| Agua a 20 °C | 1,3330 |
| Agua a 25 °C | 1,3325 |
El índice de refracción del agua es 1.333, lo que significa que la luz viaja 1.333 veces más lento en el agua que en el vacío. La limpieza del aparato determinando el índice de refracción del agua, que corresponde a 1,3330 a 20°C y 1,3325 a 25°C.
La diferencia entre los valores publicados para el agua a 20 °C y a 25 °C muestra que la temperatura debe especificarse junto con el índice. La temperatura debe ajustarse cuidadosamente y mantenerse constante a ± 0,2°C, ya que el índice de refracción varía significativamente con la temperatura.
Por qué el agua desionizada tiene un índice cercano al del agua pura
El agua desionizada es aquella que ha sido sometida a un tratamiento químico mediante el cual se eliminan casi por completo los iones presentes en el agua, como sodio, calcio, hierro, cloruros y sulfatos, entre otros.
Este proceso, conocido como desionización o desmineralización, se realiza mediante resinas de intercambio iónico que capturan tanto cationes, como calcio, magnesio y sodio, como aniones, como cloruros, sulfatos y nitratos.
En términos simples, el agua desionizada es agua “vacía” de minerales y sales, ideal para procesos donde estos componentes podrían interferir en reacciones químicas, causar acumulación de residuos en equipos o afectar la calidad de productos industriales.
La desionización presenta una alta capacidad de eliminación de iones: es capaz de eliminar hasta el 99% de los minerales disueltos, lo que permite obtener una conductividad eléctrica extremadamente baja.
Aunque la eliminación de sales reduce la contribución de los solutos al índice de refracción, el agua desionizada no debe considerarse automáticamente agua absolutamente pura. La desionización no elimina moléculas no cargadas como algunos compuestos orgánicos o bacterias, por lo que en ciertos casos puede complementarse con otros tratamientos.
Relación entre índice de refracción y pureza
La pureza del agua se puede medir de diversas formas. Se puede intentar determinar el peso de todo el material disuelto, “soluto”; esto se hace más fácilmente con los sólidos disueltos, no como en los líquidos o gases disueltos.
Además de pesando las impurezas, también se puede estimar su nivel considerando el grado en el cual incrementan el punto de ebullición del agua o bajan el de congelación. Alternativamente, la pureza del agua puede ser rápidamente estimada basándose en la conductividad eléctrica o en la resistencia - el agua muy pura es muy mala conductora de la electricidad, de modo que su resistencia es elevada.
El índice de refracción también responde a la presencia de sustancias disueltas. Cuando aumentan la concentración y la naturaleza de los solutos, puede cambiar la interacción de la luz con el líquido y, por tanto, el valor medido.
Por esta razón, el índice de refracción puede emplearse como una indicación de pureza o concentración, pero no identifica por sí solo qué contaminante está presente ni sustituye a un análisis químico completo.
Ley de Snell y refracción en el agua
La desviación de la luz al pasar del aire al agua se describe mediante la ley de refracción de Snell:
n1 sen θ1 = n2 sen θ2
donde θ1 y θ2 son los ángulos de incidencia y refracción, respectivamente, de un rayo que cruza la interfaz entre dos medios con índices de refracción n1 y n2.
El índice de refracción de una sustancia líquida es el cociente entre el seno del ángulo de incidencia, i, de un rayo de luz en el aire, con respecto al seno del ángulo de refracción, r, en el líquido.
Cuando la luz pasa a través de diferentes medios, cambia su ángulo y varía su dirección. A esto se le conoce como índice de refracción.
Los índices de refracción también determinan la cantidad de luz que se refleja al llegar a la interfaz, así como el ángulo crítico para la reflexión interna total, su intensidad, mediante las ecuaciones de Fresnel, y el ángulo de Brewster.
Velocidad y longitud de onda de la luz
Se puede ver como el factor por el cual la velocidad y la longitud de onda de la radiación se reducen con respecto a sus valores de vacío: la velocidad de la luz en un medio es v = c / n, y de manera similar la longitud de onda en ese medio es λ = λ0 / n, donde λ0 es la longitud de onda de esa luz en el vacío.
Esto implica que el vacío tiene un índice de refracción de 1 y que la frecuencia, f = v / λ, de la onda no se ve afectada por el índice de refracción.
Como resultado, el color percibido de la luz refractada para un ojo humano que depende de la frecuencia no se ve afectado por la refracción o el índice de refracción del medio.
Dependencia con la longitud de onda
El índice de refracción varía con la longitud de onda, esto hace que la luz blanca se divida en colores constituyentes cuando se refracta. A esto se le llama dispersión.
Puede observarse en prismas y arco iris, y como aberración cromática en lentes. Para la mayoría de los materiales, el índice de refracción cambia con la longitud de onda en varios porcentajes en todo el espectro visible.
Sin embargo, los índices de refracción de los materiales se informan comúnmente usando un solo valor para n, típicamente medido a 633 nm.
Los valores de índice de refracción dados en esta Farmacopea son para la línea D del sodio, doblete a 589,0 y 589,6 nm. La mayoría de los aparatos disponibles están diseñados para ser empleados con luz blanca pero se calibran para dar el índice de refracción en función de la línea D del sodio.
Por ello, un valor como 1,3330 solo es plenamente interpretable si se conocen la temperatura, la longitud de onda y las condiciones de calibración utilizadas.
Cómo se mide el índice de refracción del agua desionizada
Como no es sencillo medir directamente los ángulos de incidencia y de refracción, se han desarrollado sistemas ópticos especiales que se basan en la medida del ángulo límite de reflexión total.
Un aparato universalmente difundido que opera bajo este principio es el refractómetro de Abbe. El índice de refracción, comúnmente entre 1,3000 y 1,7000, puede ser leído directamente al tercer decimal y estimado al cuarto decimal.
Para lograr la exactitud teórica de ± 0,0001, es necesario calibrar el aparato contra un estándar provisto por el fabricante, verificar con frecuencia el control de temperatura y la limpieza del aparato determinando el índice de refracción del agua.
Procedimiento general de medición
- Limpiar cuidadosamente las superficies ópticas del refractómetro.
- Controlar y estabilizar la temperatura de la muestra.
- Colocar una cantidad suficiente de agua desionizada sobre el prisma.
- Cerrar el sistema óptico evitando burbujas y espacios secos.
- Esperar a que la muestra alcance la temperatura de medida.
- Observar la línea límite entre las zonas clara y oscura del instrumento.
- Ajustar la lectura y registrar el índice de refracción.
- Comparar el resultado con el valor de referencia correspondiente a la temperatura y la longitud de onda utilizadas.
La exactitud de la medición depende de la limpieza del prisma, la ausencia de burbujas, la estabilidad térmica, la calibración del instrumento y la prevención de la contaminación de la muestra.
Influencia de la temperatura
La temperatura debe ajustarse cuidadosamente y mantenerse constante a ± 0,2°C, ya que el índice de refracción varía significativamente con la temperatura.
El agua desionizada puede presentar valores ligeramente diferentes cuando se mide a 20 °C o a 25 °C. El valor de referencia indicado para el agua corresponde a 1,3330 a 20°C y 1,3325 a 25°C.
Las variaciones térmicas modifican las propiedades físicas del líquido y pueden afectar la lectura incluso cuando la muestra no ha recibido contaminantes adicionales.
Influencia de la contaminación y del dióxido de carbono
Hay que tener cuidado de no re-contaminar el agua después de haberla destilado. La misma precaución es aplicable al agua desionizada, porque su baja concentración iónica hace que pequeñas cantidades de contaminantes puedan alterar sus propiedades medibles.
El agua ultra pura recoge rápidamente los contaminantes, tales como el dióxido de carbono, afectando a su pH. La exposición al aire también puede modificar la composición de la muestra durante el almacenamiento y la medición.
El agua pura por definición es ligeramente ácida y el agua destilada ronda un pH de 5,8. El motivo es que el agua destilada disuelve el dióxido de carbono del aire.
Disuelve dióxido de carbono hasta que está en equilibrio dinámico con la atmósfera. Esto significa que la cantidad que se disuelve equilibra la cantidad que sale de la disolución.
El dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua y finalmente forma ácido carbónico:
2 H2O + CO2 → H2O + H2CO3 → H3O+ + HCO3−
Aunque el dióxido de carbono afecta claramente al pH y a la conductividad, cualquier contaminación disuelta también puede influir en el índice de refracción. Por eso la muestra debe mantenerse cerrada y el análisis debe realizarse sin demoras innecesarias.
Desionización mediante intercambio iónico
La desionización supone la eliminación de sustancias disueltas cargadas eléctricamente, ionizadas, sujetándolas a lugares cargados positiva o negativamente en una resina al pasar el agua a través de una columna rellena con esta resina.
Este proceso se llama intercambio iónico y se puede usar de diferentes maneras para producir agua desionizada de diferentes calidades.
Los sistemas de resina catiónica de ácido fuerte y anión básico fuerte consisten en dos vasijas: una conteniendo una resina de intercambio catiónico en forma de protones, H+, y la otra conteniendo una resina aniónica en forma hidroxilos, OH−.
El agua fluye a través de la columna catiónica, con lo cual todos los cationes son sustituidos por protones. El agua descationizada luego fluye a través de la columna aniónica.
Esta vez, todos los cationes cargados negativamente son intercambiados por iones hidroxilo, los cuales se combinan con los protones para formar agua, H2O.
Estos sistemas eliminan todos los iones, incluyendo la sílice. En la mayoría de los casos se aconseja reducir el flujo de iones que se pasan a través del intercambiador iónico por medio de la instalación de una unidad eliminadora de CO2 entre las vasijas de intercambio iónico.
Esto reduce el contenido de CO2 a unos pocos mg/l y ocasiona una reducción subsiguiente del volumen de la resina aniónica de base fuerte y en los requerimientos de regeneración de los reactivos.
Desionización de lecho mixto
En los desionizadores de lecho mixto las resinas de cambio catiónico y las de cambio aniónico están íntimamente mezcladas y contenidas en una única vasija presurizada.
Las dos resinas son mezcladas por agitación con aire comprimido, de forma que todo el lecho puede considerarse como un número infinito de intercambiadores aniónicos y catiónicos en serie.
Las ventajas de los sistemas de lecho mixto son que el agua obtenida es de muy alta pureza y su calidad permanece constante a lo largo del ciclo, el pH es casi neutro y los requerimientos de aclarado con agua son muy bajos.
Las desventajas de los sistemas de lecho mixto son una menor capacidad de intercambio y un procedimiento de operación más complicado debido a los pasos de separación y mezcla que tienen que llevarse a cabo.
Ósmosis inversa y agua desionizada
Además de mediante los sistemas de intercambio iónico, el agua desionizada puede ser producida en plantas de ósmosis inversa. La ósmosis inversa es la filtración más perfecta conocida.
Este proceso permitirá la eliminación de partículas tan pequeñas como los iones de una disolución. La ósmosis inversa se usa para purificar el agua y eliminar sales y otras impurezas para mejorar el color, sabor u otras propiedades del fluido.
La ósmosis inversa es capaz de rechazar las bacterias, sales, azúcares, proteínas, partículas, tintes y otros constituyentes que tengan un peso molecular de más de 150-250 Daltons.
La ósmosis inversa cumple con la mayoría de los estándares de agua con un sistema de un solo paso y los estándares más altos con un sistema de doble paso. Este proceso alcanza rechazos de hasta más de un 99,9% de virus, bacteria y pirógenos.
La fuerza promotora del proceso de purificación por ósmosis inversa es una presión del rango de 3,4 a 69 bares. Es mucho más eficiente energéticamente que los procesos de cambio de fase, destilación, y más eficiente que los productos químicos fuertes requeridos para la regeneración de los procesos de intercambio iónico.
La separación de iones con ósmosis inversa es asistida por partículas cargadas. Esto significa que los iones disueltos que portan una carga, tales como las sales, es más probable que sean rechazados por la membrana que aquellos que no están cargados, tales como los compuestos orgánicos.
Agua desionizada y agua destilada
Es bastante difícil encontrar definiciones claras de estándares para agua destilada, desmineralizada y desionizada. Probablemente el modo más fácil de familiarizarse con el tópico de producción de agua ultra pura es empezar por el método más antiguo y más conocido: la destilación.
El agua destilada es agua que ha sido hervida en un aparato llamado “alambique”, y luego recondensada en una unidad enfriadora, “condensadora”, para devolver el agua al estado líquido.
La destilación se usa para purificar el agua. Los contaminantes disueltos tales como sales se quedan en el tanque donde el agua hierve mientras que el vapor de agua se eleva hacia fuera.
| Característica | Agua desionizada | Agua destilada |
|---|---|---|
| Proceso de obtención | Intercambio iónico químico | Destilación física |
| Eliminación de iones | Sí, cationes y aniones | Parcial, depende del punto de ebullición |
| Eliminación de bacterias | No necesariamente | Sí, en gran parte |
| Presencia de compuestos orgánicos | Posible | Menor, según el tipo de destilación |
| Consumo energético | Bajo | Alto |
A diferencia de otros métodos, la desionización no elimina moléculas no cargadas como algunos compuestos orgánicos o bacterias, por lo que en ciertos casos puede complementarse con otros tratamientos.
El proceso térmico de la destilación elimina gran parte de los microorganismos, pero algunos contaminantes volátiles pueden hervir y condensarse junto con el agua. Puede no funcionar si los contaminantes son volátiles de forma que también hierven y recondensen, como si se tiene algo de alcohol disuelto.
Experiencia sencilla para observar la refracción
Para realizar este experimento necesitaremos: un recipiente, un vaso de agua y canicas de agua.
Vertemos las canicas en agua y esperamos unas horas hasta que crezcan. Quitamos el agua y añadimos un objeto pequeño. Añadimos agua de nuevo y las canicas desaparecen.
El agua y las canicas poseen el mismo índice de refracción, por eso al añadir agua nuestros ojos no pueden distinguir las canicas.
La experiencia muestra que la visibilidad de un objeto transparente no depende únicamente de que el objeto deje pasar la luz. También depende de la diferencia entre su índice de refracción y el del medio que lo rodea.
¿Cómo se produce la REFRACCIÓN? | Experimentos
Aplicaciones del agua desionizada
El agua desionizada tiene una amplia variedad de aplicaciones en las que se requiere un bajo nivel de impurezas iónicas, pero no necesariamente esterilidad.
- En electrónica, se utiliza para el enjuague de circuitos impresos y componentes, ya que no deja residuos ni favorece la corrosión.
- En la fabricación farmacéutica y cosmética, se emplea para evitar reacciones no deseadas con ingredientes activos.
- En automoción, se utiliza en baterías y radiadores, ya que no contiene minerales que puedan formar depósitos.
- En procesos de laboratorio, se emplea en la preparación de soluciones y cultivos celulares sensibles.
- En sistemas de refrigeración y calderas, evita incrustaciones y mejora la eficiencia térmica.
Su bajo costo y alta disponibilidad la convierten en una opción ideal cuando se requiere eliminar sales minerales sin necesidad de esterilizar el agua completamente.
Interpretación correcta del valor medido
Un resultado cercano a 1,333 a 20 °C es compatible con el valor de referencia del agua, pero no basta por sí solo para demostrar que una muestra es completamente pura.
Para interpretar el resultado deben considerarse simultáneamente la temperatura, la longitud de onda, el tipo de refractómetro, la calibración, la limpieza del prisma y el tiempo de exposición de la muestra al aire.
El índice de refracción se aplica en todo el espectro electromagnético, desde los rayos X hasta las ondas de radio. También se puede aplicar a fenómenos ondulatorios como el sonido.
En este caso, se utiliza la velocidad del sonido en lugar de la de la luz, y se debe elegir un medio de referencia distinto al vacío.
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