POLARIMETRIE: RAȚIUNE, TIPURI, APLICAȚII, AVANTAJE ȘI DEZAVANTAJE - CHIMIE - 2025

Polarimetry măsoară rotația unui fascicul polarizat este supus luminii atunci când acesta trece printr - o substanță optic activă care poate fi o sticlă ( de exemplu , turmalină) sau o soluție de zahăr.

Este o tehnică simplă, aparținând metodelor optice de analiză și cu numeroase aplicații, în special în industria chimică și agroalimentară pentru a determina concentrația soluțiilor zaharoase.

Figura 1. Polimetru digital automat. Sursa: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Bază

Fundamentul fizic al acestei tehnici rezidă în proprietățile luminii ca undă electromagnetică, constând dintr-un câmp electric și un câmp magnetic care se deplasează în direcții reciproc perpendiculare.

Undele electromagnetice sunt transversale, ceea ce înseamnă că aceste câmpuri, la rândul lor, se propagă în direcția perpendiculară cu ele, conform figurii 2.

Cu toate acestea, deoarece câmpul este format din numeroase trenuri de undă care provin de la fiecare atom și fiecare oscilează în direcții diferite, lumina naturală sau cea care provine de la un bec incandescent nu este polarizată.

În schimb, atunci când oscilațiile câmpului apar într-o direcție preferențială, se spune că lumina este polarizată. Acest lucru poate fi obținut prin lăsarea fasciculului de lumină să treacă prin anumite substanțe capabile să blocheze componente nedorite și să permită să treacă doar una în special.

Figura 2. Animarea unui câmp electromagnetic care se propagă de-a lungul axei x. Sursa: Wikimedia Commons. And1mu.

Dacă unda de lumină constă, de asemenea, dintr-o singură lungime de undă, avem un fascicul monocromatic polarizat liniar.

Materialele care acționează ca filtre pentru a realiza acest lucru se numesc polarizatori sau analizoare. Și există substanțe care răspund la lumina polarizată, rotind planul de polarizare. Sunt cunoscute sub numele de substanțe optic active, de exemplu zaharuri.

Tipuri de polarimetru

În general, polarimetrele pot fi: manuale, automate și semiautomate și digitale.

Manuale

Polimerimetrele manuale sunt utilizate în laboratoarele de predare și laboratoare mici, în timp ce cele automate sunt preferate atunci când este necesar un număr mare de măsurători, deoarece reduc la minimum timpul petrecut la măsurare.

Automat și digital

Modelele automate și digitale vin cu un detector fotoelectric, un senzor care emite un răspuns la schimbarea luminii și crește mult precizia măsurătorilor. Există, de asemenea, cele care oferă citirea pe un ecran digital, fiind foarte ușor de utilizat.

Pentru a ilustra funcționarea generală a unui polarimetru, este descris mai jos un tip optic manual.

Funcționare și piese

Un polarimetru de bază folosește două prisme Nicol sau foi Polaroid, în care se află substanța optic activă de analizat.

William Nicol (1768-1851) a fost un fizician scoțian care și-a dedicat o mare parte din carieră instrumentării. Folosind un cristal de calcită sau un vraci islandez, un mineral capabil să împartă un fascicul de lumină incident, Nicol a creat în 1828 o prismă cu ajutorul căreia se putea obține lumina polarizată. A fost utilizat pe scară largă în construcția polarimetrelor.

Figura 4. Cristal de calcit birirefringent. Sursa: Wikimedia Commons. APN MJM.

Principalele părți ale unui polarimetru sunt:

- Sursa de lumină. În general, o lampă cu vapori de sodiu, tungsten sau mercur, a cărei lungime de undă este cunoscută.

- Polarizatori. Modelele mai vechi foloseau prisme Nicol, în timp ce cele mai moderne folosesc de obicei foi Polaroid, formate din molecule cu hidrocarburi cu lanț lung cu atomi de iod.

- Un suport pentru eșantion Unde este plasată substanța de analizat, a cărei lungime este variabilă, dar exact cunoscută.

- Oculare și indicatori furnizați cu cântare vernieră. Pentru ca observatorul să măsoare cu exactitate puterea de rotație a eșantionului. Modelele automate au senzori fotoelectrici.

- În plus, indicatori de temperatură și lungime de undă. Deoarece puterea de rotație a multor substanțe depinde de acești parametri.

Figura 5. Schema unui polarimetru manual. Sursa: Chang, R. Chimie.

Laurent Polarimeter

În procedura descrisă, există un mic dezavantaj atunci când observatorul ajustează minimul de lumină, deoarece ochiul uman nu este capabil să detecteze variații foarte mici de luminozitate.

Pentru a remedia această problemă, polarimetrul Laurent adaugă o jumătate de foaie retardantă a unei lungimi de undă, realizată din material birefringent.

În acest fel, observatorul are două sau trei regiuni adiacente cu luminozitate diferită, numite câmpuri, în privitor. Acest lucru face mai ușor pentru ochi să distingă nivelurile de lumină.

Aveți cea mai precisă măsurătoare atunci când analizorul este rotit astfel încât toate câmpurile să fie la fel de slabe.

Figura 6. Citirea manuală a polarimetrului. Sursa: F. Zapata.

Legea Biotului

Legea lui Biot se referă la puterea rotativă α a unei substanțe optic active, măsurată în grade sexagesimale, cu concentrația c a substanței menționate - când este o soluție - și geometria sistemului optic.

Acesta este motivul pentru care accentul a fost pus în descrierea polarimetrului, că trebuie cunoscute valorile lungimii de undă ale luminii și ale suportului eșantionului.

Constanța proporționalității este notată și numită puterea de rotație specifică a soluției. Depinde de lungimea de undă λ a luminii incidente și de temperatura T a probei. Valorile sunt de obicei tabulate la 20 ° C pentru lumina de sodiu, în special, a cărei lungime de undă este 589,3 nm.

În funcție de tipul de compus de analizat, legea lui Biot ia diferite forme:

- Solidele optic active: α = .ℓ

- Lichide pure: α =. ℓ.ρ

- Soluții cu soluții care au activitate optică: α =. ℓ.c

- Probele cu mai multe componente optice active: ∑ _i

Cu următoarele cantități suplimentare și unitățile lor:

- Lungimea suportului eșantionului: ℓ (în mm pentru solide și dm pentru lichide)

- Densitatea lichidelor: ρ (în g / ml)

- Concentrație: c (în g / ml sau molaritate)

Avantaje și dezavantaje

Polarimetrele sunt instrumente de laborator foarte utile în diferite zone și fiecare tip de polarimetru are avantaje în funcție de utilizarea prevăzută.

Un mare avantaj al tehnicii în sine este că este un test nedistructiv, adecvat atunci când se analizează probe costisitoare, valoroase sau că, din anumite motive, nu poate fi duplicat. Cu toate acestea, polarimetria nu se aplică nici unei substanțe, doar celor care au activitate optică sau substanțe chirale, așa cum sunt ele cunoscute.

De asemenea, este necesar să luăm în considerare faptul că prezența impurităților introduce erori în rezultate.

Unghiul de rotație produs de substanța analizată este în conformitate cu caracteristicile sale: tipul de moleculă, concentrația soluției și chiar solventul utilizat. Pentru a obține toate aceste date, este necesar să cunoaștem exact lungimea de undă a luminii utilizate, temperatura și lungimea containerului de eșantion.

Precizia cu care doriți să analizați eșantionul este decisivă atunci când alegeți un echipament adecvat. Și costul său.

Avantajele și dezavantajele polarimetrului manual

- Acestea tind să fie mai ieftine, deși există și versiuni digitale cu costuri reduse. În ceea ce privește acest lucru, există foarte multă ofertă.

- Sunt potrivite pentru a fi utilizate în laboratoarele de predare și ca instruire, deoarece ajută operatorul să se familiarizeze cu aspectele teoretice și practice ale tehnicii.

- Sunt aproape întotdeauna de întreținere redusă.

- Sunt rezistente și durabile.

- Citirea măsurătorii este puțin mai laborioasă, mai ales dacă substanța de analizat are o putere de rotație scăzută, de aceea operatorul este de obicei personal specializat.

Avantajele și dezavantajele polarimetrelor automate și digitale

- Sunt ușor de manevrat și de citit, nu necesită personal specializat pentru funcționarea lor.

- Polimetrul digital poate exporta datele către imprimantă sau dispozitivul de stocare.

- polarimetrele automate necesită un timp de măsurare mai mic (aproximativ 1 secundă).

- Au opțiuni de măsurat pe intervale.

- Detectorul fotoelectric permite analizarea substanțelor cu putere redusă de rotație.

- Temperatura de control eficient, parametrul care influențează cel mai mult măsurarea.

- Unele modele sunt scumpe.

- Necesită întreținere.

Aplicații

Polarimetria are un număr mare de aplicații, după cum am menționat la început. Zonele sunt diverse, iar compușii care urmează a fi analizați pot fi organici și anorganici. Acestea sunt unele dintre ele:

- În controlul calității farmaceutice, contribuind la determinarea faptului că substanțele utilizate la fabricarea medicamentelor au concentrația și puritatea corespunzătoare.

- Pentru controlul calității industriei alimentare, analizând puritatea zahărului, precum și conținutul acestuia în băuturi și dulciuri. Polarimetrele utilizate în acest fel se mai numesc zaharimetre și folosesc o scară particulară, diferită de cea utilizată în alte aplicații: scara ºZ.

Figura 7. Controlul calității conținutului de zahăr din vinuri și sucuri de fructe se realizează prin polarimetrie. Sursa: Pixabay.

- De asemenea, în tehnologia alimentară este utilizat pentru a găsi conținutul de amidon al unei probe.

- În astrofizică, polarimetria este folosită pentru a analiza polarizarea luminii în stele și pentru a studia câmpurile magnetice prezente în mediile astronomice și rolul acestora în dinamica stelară.

- Polarimetria este utilă în detectarea bolilor oculare.

- În dispozitive de teledetecție prin satelit pentru observarea navelor în marea liberă, zone de poluare în mijlocul oceanului sau pe uscat, datorită luării de imagini cu contrast ridicat.

- Industria chimică folosește polarimetria pentru a distinge izomerii optici. Aceste substanțe au proprietăți chimice identice, deoarece moleculele lor au aceeași compoziție și structură, dar una este o imagine în oglindă a celeilalte.

Izomerii optici diferă în modul în care polarizează lumina (enantiomerii): un izomer face acest lucru spre stânga (stânga) și celălalt spre dreapta (dreapta), întotdeauna din punctul de vedere al observatorului.

1. AGS Analitic. Pentru ce este un polarimetru? Recuperat de la: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chimie. 2013. A unsprezecea ediție. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetrie. Recuperat de la: triplenlace.com.
4. Instrumente științifice. Polarimetre. Recuperat din: uv.es.
5. Universitatea Politehnică din Valencia. Aplicarea polarimetriei la
   determinarea purității unui zahăr. Recuperat din: riunet.upv.es.