POLARYMETRIA: PRZESŁANKI, RODZAJE, ZASTOSOWANIA, ZALETY I WADY - CHEMIA - 2026

Polarymetrii mierzy obrót ulega spolaryzowana wiązka światła kiedy to przemieszcza się w optycznie czynnej substancji, które mogą być ze szkła (np turmalinu) lub roztworze cukru.

Jest to prosta technika, należąca do optycznych metod analizy i mająca liczne zastosowania, zwłaszcza w przemyśle chemicznym i rolno-spożywczym do oznaczania stężeń roztworów cukrowych.

Rysunek 1. Cyfrowy automatyczny polarymetr. Źródło: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Podstawa

Fizyczne podstawy tej techniki tkwią we właściwościach światła jako fali elektromagnetycznej, składającej się z pola elektrycznego i pola magnetycznego poruszających się we wzajemnie prostopadłych kierunkach.

Fale elektromagnetyczne są poprzeczne, co oznacza, że ​​pola te z kolei rozchodzą się w kierunku do nich prostopadłym, zgodnie z rysunkiem 2.

Jednak ponieważ pole to składa się z wielu ciągów fal, które pochodzą z każdego atomu, a każdy z nich oscyluje w różnych kierunkach, światło naturalne lub pochodzące z żarowej żarówki nie jest spolaryzowane.

W przeciwieństwie do tego, gdy oscylacje pola występują w preferencyjnym kierunku, mówi się, że światło jest spolaryzowane. Można to osiągnąć, przepuszczając wiązkę światła przez pewne substancje, które mogą blokować niepożądane elementy i przepuszczając w szczególności tylko jeden.

Rysunek 2. Animacja pola elektromagnetycznego rozchodzącego się wzdłuż osi x. Źródło: Wikimedia Commons. And1mu.

Jeżeli dodatkowo fala świetlna składa się z jednej długości fali, mamy do czynienia z liniowo spolaryzowaną wiązką monochromatyczną.

Materiały, które działają jak filtry, aby to osiągnąć, nazywane są polaryzatorami lub analizatorami. Są też substancje, które reagują na światło spolaryzowane, obracając płaszczyznę polaryzacji. Znane są jako substancje optycznie czynne, np. Cukry.

Rodzaje polarymetrów

Ogólnie rzecz biorąc, polarymetry mogą być: ręczne, automatyczne i półautomatyczne oraz cyfrowe.

Instrukcje

Ręczne polarymetry są używane w laboratoriach dydaktycznych i małych laboratoriach, podczas gdy automatyczne są preferowane, gdy wymagana jest duża liczba pomiarów, ponieważ minimalizują czas spędzony na pomiarze.

Automatyczne i cyfrowe

Modele automatyczne i cyfrowe są wyposażone w detektor fotoelektryczny, czujnik, który reaguje na zmianę światła i znacznie zwiększa precyzję pomiarów. Są też takie, które oferują czytanie na cyfrowym ekranie, będąc bardzo łatwym w obsłudze.

Aby zilustrować ogólne działanie polarymetru, poniżej opisano manualny typ optyczny.

Działanie i części

Podstawowy polarymetr wykorzystuje dwa pryzmaty Nicol lub arkusze polaroidowe, pomiędzy którymi znajduje się substancja optycznie czynna do analizy.

William Nicol (1768–1851) był szkockim fizykiem, który większość swojej kariery poświęcił instrumentacji. Używając kryształu kalcytu lub drzewca islandzkiego, minerału zdolnego do rozszczepiania padającej wiązki światła, Nicol stworzył w 1828 roku pryzmat, za pomocą którego można było uzyskać światło spolaryzowane. Był szeroko stosowany w budowie polarymetrów.

Rysunek 4. Dwójłomny kryształ kalcytu. Źródło: Wikimedia Commons. APN MJM.

Główne części polarymetru to:

- Źródło światła. Zwykle lampy sodowe, wolframowe lub rtęciowe, których długość fali jest znana.

- Polaryzatory. Starsze modele wykorzystywały pryzmaty Nicola, podczas gdy w nowszych zazwyczaj stosuje się arkusze polaroidowe, wykonane z długołańcuchowych cząsteczek węglowodoru z atomami jodu.

- Uchwyt na próbki. Miejsce umieszczenia analizowanej substancji, której długość jest zmienna, ale dokładnie znana.

- Okular i wskaźniki z noniuszem. Dla obserwatora, aby mógł dokładnie zmierzyć moc obrotową próbki. Modele automatyczne mają czujniki fotoelektryczne.

- Dodatkowo wskaźniki temperatury i długości fali. Ponieważ moc obrotowa wielu substancji zależy od tych parametrów.

Rysunek 5. Schemat ręcznego polarymetru. Źródło: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

W opisanej procedurze występuje niewielka niedogodność, gdy obserwator dostosowuje minimum światła, ponieważ ludzkie oko nie jest w stanie wykryć bardzo małych zmian jasności.

Aby przezwyciężyć ten problem, polarymetr Laurenta dodaje pół-arkusz opóźniający długość fali, wykonany z materiału dwójłomnego.

W ten sposób obserwator ma w obserwatorze dwa lub trzy sąsiednie obszary o różnej jasności, zwane polami. Dzięki temu oko łatwiej rozróżnia poziomy światła.

Najdokładniejszy pomiar uzyskuje się, gdy analizator jest obrócony w taki sposób, że wszystkie pola są jednakowo słabe.

Rysunek 6. Ręczny odczyt polarymetru. Źródło: F. Zapata.

Prawo Biota

Prawo Biota wiąże moc obrotową α substancji czynnej optycznie, mierzoną w stopniach sześćdziesiętnych, ze stężeniem c tej substancji - gdy jest to roztwór - i geometrią układu optycznego.

Dlatego w opisie polarymetru położono nacisk na to, aby znać wartości długości fali światła i uchwytu próbki.

Stała proporcjonalności jest oznaczana i nazywana określoną mocą obrotową rozwiązania. Zależy to od długości fali λ padającego światła i temperatury T próbki. Wartości są zwykle zestawiane w tabeli w temperaturze 20 ° C dla światła sodowego, w szczególności którego długość fali wynosi 589,3 nm.

W zależności od rodzaju analizowanego związku prawo Biota przybiera różne formy:

- Substancje stałe optycznie czynne: α = .ℓ

- Ciecze czyste: α =. ℓ.ρ

- Roztwory zawierające substancje rozpuszczone o aktywności optycznej: α =. ℓ.c

- Próbki z kilkoma optycznie czynnymi składnikami: ∑α _i

Z następującymi dodatkowymi ilościami i ich jednostkami:

- Długość uchwytu próbki: ℓ (w mm dla ciał stałych i dm dla cieczy)

- Gęstość cieczy: ρ (wg / ml)

- Stężenie: c (wg / ml lub molarność)

Zalety i wady

Polarymetry są bardzo przydatnymi przyrządami laboratoryjnymi w różnych dziedzinach, a każdy typ polarymetru ma zalety zgodne z jego przeznaczeniem.

Ogromną zaletą samej techniki jest to, że jest to badanie nieniszczące, odpowiednie do analizy drogich, wartościowych próbek lub takie, których z jakiegoś powodu nie można powielić. Jednak polarymetria nie ma zastosowania do żadnej substancji, tylko do tych, które mają aktywność optyczną lub substancje chiralne, jak są one również znane.

Należy również wziąć pod uwagę, że obecność zanieczyszczeń wprowadza błędy w wynikach.

Kąt obrotu wytwarzany przez analizowaną substancję jest zgodny z jej charakterystyką: rodzajem cząsteczki, stężeniem roztworu, a nawet zastosowanym rozpuszczalnikiem. Aby uzyskać wszystkie te dane, konieczne jest dokładne poznanie długości fali używanego światła, temperatury i długości pojemnika na próbki.

Precyzja, z jaką chcesz przeanalizować próbkę, decyduje o wyborze odpowiedniego sprzętu. A także jego koszt.

Zalety i wady ręcznego polarymetru

- Zwykle są tańsze, chociaż są też tańsze wersje cyfrowe. Jak na to, oferty jest bardzo dużo.

- Nadają się do użytku w laboratoriach dydaktycznych i do szkolenia, ponieważ pomagają operatorowi zapoznać się z teoretycznymi i praktycznymi aspektami techniki.

- Prawie zawsze wymagają one niewielkiej konserwacji.

- Są odporne i trwałe.

- Odczyt pomiaru jest nieco bardziej pracochłonny, zwłaszcza jeśli badana substancja ma małą moc obrotową, dlatego operatorem jest zwykle wyspecjalizowany personel.

Zalety i wady polarymetrów automatycznych i cyfrowych

- Są łatwe w obsłudze i czytaniu, nie wymagają specjalistycznego personelu do ich obsługi.

- Cyfrowy polarymetr może eksportować dane do drukarki lub urządzenia pamięci masowej.

- Automatyczne polarymetry wymagają krótszego czasu pomiaru (około 1 sekundy).

- Mają opcje pomiaru w odstępach czasu.

- Detektor fotoelektryczny umożliwia analizę substancji o małej mocy obrotowej.

- Skutecznie kontroluj temperaturę, parametr, który ma największy wpływ na pomiar.

- Niektóre modele są drogie.

- Wymagają konserwacji.

Aplikacje

Jak wspomniano na początku, polarymetria ma wiele zastosowań. Obszary są zróżnicowane, a analizowane związki mogą być zarówno organiczne, jak i nieorganiczne. Oto niektóre z nich:

- W kontroli jakości farmaceutycznej, pomagając w ustaleniu, czy substancje używane do produkcji leków mają odpowiednie stężenie i czystość.

- Do kontroli jakości przemysłu spożywczego, analizowania czystości cukru, a także jego zawartości w napojach i słodyczach. Stosowane w ten sposób polarymetry nazywane są również sacharymetrami i wykorzystują określoną skalę, inną niż stosowana w innych zastosowaniach: skalę ºZ.

Rysunek 7. Kontrolę jakości zawartości cukru w ​​winach i sokach owocowych przeprowadza się metodą polarymetryczną. Źródło: Pixabay.

- Również w technologii żywności służy do oznaczania zawartości skrobi w próbce.

- W astrofizyce polarymetria jest stosowana do analizy polaryzacji światła w gwiazdach oraz do badania pól magnetycznych obecnych w środowiskach astronomicznych i ich roli w dynamice gwiazd.

- Polarymetria jest przydatna w wykrywaniu chorób oczu.

- W satelitarnych urządzeniach teledetekcyjnych do obserwacji statków na pełnym morzu, obszarach zanieczyszczeń na środku oceanu lub na lądzie, dzięki wykonywaniu zdjęć o dużym kontraście.

- Przemysł chemiczny wykorzystuje polarymetrię do rozróżniania izomerów optycznych. Substancje te mają identyczne właściwości chemiczne, ponieważ ich cząsteczki mają ten sam skład i strukturę, ale jedna jest lustrzanym odbiciem drugiej.

Izomery optyczne różnią się sposobem, w jaki polaryzują światło (enancjomery): jeden izomer robi to po lewej stronie (lewoskrętny), a drugi po prawej (prawoskrętny), zawsze z punktu widzenia obserwatora.

1. AGS Analytical. Do czego służy polarymetr? Odzyskany z: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chemistry. 2013. Wydanie jedenaste. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Odzyskany z: triplenlace.com.
4. Instrumenty naukowe. Polarymetry. Odzyskany z: uv.es.
5. Politechnika w Walencji. Zastosowanie polarymetrii do
   oznaczania czystości cukru. Odzyskany z: riunet.upv.es.