POLARIMETRIA: ZDÔVODNENIE, TYPY, APLIKÁCIE, VÝHODY A NEVÝHODY - CHÉMIA - 2025

Polarimetria meria otáčanie polarizovaný svetelný lúč prechádza, keď sa prechádza cez opticky aktívnou látkou, ktorá môže byť skla (napr. Turmalín) alebo roztok cukru.

Je to jednoduchá technika, ktorá patrí k optickým metódam analýzy as mnohými aplikáciami, najmä v chemickom a agropotravinárskom priemysle, na stanovenie koncentrácie roztokov cukru.

Obrázok 1. Digitálny automatický polarimeter. Zdroj: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

základ

Fyzikálny základ tejto techniky spočíva vo vlastnostiach svetla ako elektromagnetickej vlny, pozostávajúcej z elektrického a magnetického poľa pohybujúceho sa vo vzájomne kolmých smeroch.

Elektromagnetické vlny sú priečne, čo znamená, že tieto polia sa ďalej šíria v smere kolmom na ne, podľa obrázku 2.

Avšak, pretože pole je tvorené početnými vlnovými vlakmi, ktoré pochádzajú z každého atómu, a každý z nich osciluje v rôznych smeroch, prirodzené svetlo alebo svetlo pochádzajúce z žiarovky nie je polarizované.

Na rozdiel od toho, keď sa oscilácie poľa vyskytujú v preferenčnom smere, svetlo sa považuje za polarizované. To sa dá dosiahnuť tak, že sa nechá svetelný lúč prejsť určitými látkami, ktoré sú schopné blokovať nežiaduce komponenty, a nechať sa ním prejsť iba jeden.

Obrázok 2. Animácia šírenia elektromagnetického poľa pozdĺž osi x. Zdroj: Wikimedia Commons. And1mu.

Ak navyše svetelná vlna pozostáva z jedinej vlnovej dĺžky, máme lineárne polarizovaný monochromatický lúč.

Materiály, ktoré na tento účel pôsobia ako filtre, sa nazývajú polarizátory alebo analyzátory. A existujú látky, ktoré reagujú na polarizované svetlo a otáčajú rovinou polarizácie. Sú známe ako opticky aktívne látky, napríklad cukry.

Typy polarimetrov

Vo všeobecnosti môžu byť polarimetre: manuálne, automatické a poloautomatické a digitálne.

manuály

Ručné polarimetre sa používajú vo výučbových laboratóriách a malých laboratóriách, zatiaľ čo automatické laboratóriá sa uprednostňujú, keď sa vyžaduje veľké množstvo meraní, pretože minimalizujú čas strávený meraním.

Automatické a digitálne

Automatické a digitálne modely sa dodávajú s fotoelektrickým detektorom, senzorom, ktorý vysiela odozvu na zmenu svetla a výrazne zvyšuje presnosť meraní. Existujú aj tie, ktoré ponúkajú čítanie na digitálnej obrazovke, pričom sa veľmi ľahko ovládajú.

Na ilustráciu všeobecnej činnosti polarimetra je ďalej opísaný manuálny optický typ.

Prevádzka a časti

Základný polarimeter využíva dva Nicolove hranoly alebo Polaroidy, medzi ktorými je umiestnená opticky aktívna látka, ktorá sa má analyzovať.

William Nicol (1768-1851) bol škótsky fyzik, ktorý venoval veľkú časť svojej kariéry inštrumentácii. Nicol vytvoril v roku 1828 hranol, pomocou ktorého bolo možné získať polarizované svetlo. To bolo široko používané pri konštrukcii polarimetrov.

Obrázok 4. Dvojmocný kryštál kalcitu. Zdroj: Wikimedia Commons. APN MJM.

Hlavné časti polarimetra sú:

- Svetelný zdroj. Spravidla sodíková, volfrámová alebo ortuťová výbojka, ktorej vlnová dĺžka je známa.

- Polarizátory. Staršie modely používali Nicolove hranoly, zatiaľ čo modernejšie modely obvykle používajú Polaroidové listy, vyrobené z uhľovodíkových molekúl s dlhým reťazcom s atómami jódu.

- Držiak vzorky. Kde je umiestnená látka, ktorá sa má analyzovať, ktorej dĺžka je premenlivá, ale presne známa.

- okulár a ukazovatele vybavené stupnicami stupnice stupnice. Aby pozorovateľ presne zmeral rotačnú silu vzorky. Automatické modely majú fotoelektrické snímače.

- Ďalej ukazovatele teploty a vlnovej dĺžky. Pretože rotačná sila mnohých látok závisí od týchto parametrov.

Obrázok 5. Schéma manuálneho polarimetra. Zdroj: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

V opísanom postupe je malé nepohodlie, keď pozorovateľ nastaví minimum svetla, pretože ľudské oko nie je schopné detekovať veľmi malé zmeny svietivosti.

Aby sa tento problém odstránil, Laurentov polarimeter dodáva polovičnú dosku s polovičnou vlnovou dĺžkou, ktorá je vyrobená z dvojlomového materiálu.

Týmto spôsobom má pozorovateľ v divákovi dve alebo tri susediace oblasti s rôznou svietivosťou, nazývané polia. To uľahčuje oko rozlíšiť úrovne svetla.

Máte najpresnejšie meranie, keď je analyzátor otočený takým spôsobom, že všetky polia sú rovnako tlmené.

Obrázok 6. Ručné odčítanie polarimetra. Zdroj: F. Zapata.

Biotov zákon

Biotov zákon súvisí s rotačnou silou α opticky aktívnej látky, meranou v sexuálnych desatinných stupňoch, s koncentráciou c tejto látky - pokiaľ ide o riešenie - a geometriou optického systému.

Z tohto dôvodu bol dôraz kladený na opis polarimetra, že museli byť známe hodnoty vlnovej dĺžky svetla a hodnoty držiaka vzorky.

Konštanta proporcionality sa označuje a nazýva špecifická rotačná sila riešenia. Závisí to od vlnovej dĺžky λ dopadajúceho svetla a teploty T vzorky. Hodnoty sú obvykle uvádzané v tabuľkách pri 20 ° C pre sodné svetlo, ktorého vlnová dĺžka je 589,3 nm.

V závislosti od typu analyzovanej zlúčeniny má Biotov zákon rôzne formy:

- Opticky aktívne tuhé látky: α = .ℓ

- Čisté kvapaliny:. ℓ.ρ

- Roztoky s rozpustenými látkami, ktoré majú optickú aktivitu:. ℓ.c

- Vzorky s niekoľkými opticky aktívnymi zložkami: ∑α _i

S nasledujúcimi dodatočnými množstvami a ich jednotkami:

- Dĺžka držiaka vzorky: ℓ (v mm pre tuhé látky a dm pre kvapaliny)

- Hustota kvapalín: ρ (vg / ml)

- Koncentrácia: c (vg / ml alebo molárnosť)

Výhody a nevýhody

Polarimetre sú veľmi užitočné laboratórne prístroje v rôznych oblastiach a každý typ polarimetra má výhody podľa svojho zamýšľaného použitia.

Veľkou výhodou samotnej techniky je to, že ide o nedeštruktívny test vhodný pri analýze drahých a hodnotných vzoriek alebo že z nejakého dôvodu sa nedá duplikovať. Polarimetria sa však nevzťahuje na žiadnu látku, iba na látky, ktoré majú optickú aktivitu alebo chirálne látky, ako sú známe.

Je tiež potrebné vziať do úvahy, že prítomnosť nečistôt spôsobuje chyby vo výsledkoch.

Uhol rotácie produkovaný analyzovanou látkou je v súlade s jej charakteristikami: typ molekuly, koncentrácia roztoku a dokonca aj použité rozpúšťadlo. Na získanie všetkých týchto údajov je potrebné presne poznať vlnovú dĺžku použitého svetla, teplotu a dĺžku nádoby na vzorky.

Pri výbere vhodného zariadenia je rozhodujúca presnosť, s akou chcete analyzovať vzorku. A tiež jeho náklady.

Výhody a nevýhody manuálneho polarimetra

- Zvyčajne sú lacnejšie, aj keď existujú aj lacné digitálne verzie. Pokiaľ ide o toto, existuje veľa ponúk.

- Sú vhodné na použitie vo výučbových laboratóriách a ako výcvik, pretože pomáhajú operátorovi oboznámiť sa s teoretickými a praktickými aspektmi techniky.

- Sú takmer vždy bezúdržbové.

- Sú odolné a odolné.

- Odčítanie nameraných údajov je trochu pracnejšie, najmä ak látka, ktorá sa má analyzovať, má nízku rotačnú silu, preto je obsluhou zvyčajne špecializovaný personál.

Výhody a nevýhody automatických a digitálnych polarimetrov

- Sú ľahko manipulovateľné a čitateľné a na svoju činnosť nevyžadujú špecializovaný personál.

- Digitálny polarimeter dokáže exportovať údaje do tlačiarne alebo úložného zariadenia.

- Automatické polarimetre vyžadujú kratší čas merania (približne 1 sekundu).

- Majú možnosti merania podľa intervalov.

- Fotoelektrický detektor umožňuje analyzovať látky s nízkou rotačnou schopnosťou.

- Účinne regulujte teplotu, parameter, ktorý najviac ovplyvňuje meranie.

- Niektoré modely sú drahé.

- Vyžadujú údržbu.

aplikácia

Polarimetria má veľké množstvo aplikácií, ako bolo uvedené na začiatku. Tieto oblasti sú rozmanité a zlúčeniny, ktoré sa majú analyzovať, môžu byť tiež organické a anorganické. Toto sú niektoré z nich:

- Pri kontrole farmaceutickej kvality pomáha určiť, či látky používané pri výrobe liekov majú primeranú koncentráciu a čistotu.

- Na kontrolu kvality potravinárskeho priemyslu, analýzu čistoty cukru, ako aj jeho obsahu v nápojoch a sladkostiach. Polarimetre používané týmto spôsobom sa nazývajú aj sacharimetre a používajú konkrétnu stupnicu, ktorá sa líši od stupnice používanej v iných aplikáciách: stupnica „Z“.

Obrázok 7. Kontrola kvality obsahu cukru vo vínach a ovocných šťavách sa vykonáva polarimetricky. Zdroj: Pixabay.

- V potravinovej technológii sa používa aj na zisťovanie obsahu škrobu vo vzorke.

- V astrofyzike sa polarimetria používa na analýzu polarizácie svetla v hviezdach a na štúdium magnetických polí prítomných v astronomických prostrediach a ich úlohy v hviezdnej dynamike.

- Polarimetria je užitočná pri zisťovaní očných chorôb.

- V satelitných zariadeniach na diaľkové snímanie na pozorovanie lodí na otvorenom mori, v oblastiach znečistenia uprostred oceánu alebo na súši vďaka fotografovaniu s vysokým kontrastom.

- Chemický priemysel používa polarimetriu na rozlíšenie medzi optickými izomérmi. Tieto látky majú rovnaké chemické vlastnosti, pretože ich molekuly majú rovnaké zloženie a štruktúru, ale jedna je zrkadlovým obrazom druhej.

Optické izoméry sa líšia v spôsobe, akým polarizujú svetlo (enantioméry): jeden izomér tak robí vľavo (vľavo) a druhý vľavo (vpravo), vždy z pohľadu pozorovateľa.

1. AGS Analytical. Na čo je polarimeter? Získané z: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chemistry. 2013. Jedenáste vydanie. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Obnovené z: triplenlace.com.
4. Vedecké prístroje. Polarimetre. Získané z: uv.es.
5. Polytechnická univerzita vo Valencii. Uplatňovanie polarimetrie na
   stanovenie čistoty cukru. Získané z: riunet.upv.es.