- fonament
- Tipus de polarímetre
- manuals
- Automàtics i digitals
- Funcionament i parts
- Polarímetre de Laurent
- Llei de Biot
- Avantatges i desavantatges
- Avantatges i desavantatges de l'polarímetre manual
- Avantatges i desavantatges dels polarímetres automàtics i digitals
- aplicacions
La polarimetria mesura la rotació que un feix de llum polaritzada experimenta quan travessa una substància òpticament activa que pot ser un cristall (per exemple turmalina) o bé una solució de sucre.
Es tracta d'una tècnica senzilla, pertanyent als mètodes òptics d'anàlisi i amb nombroses aplicacions, sobretot en la indústria química i agroalimentària per determinar la concentració de solucions ensucrades.
Figura 1. Polarímetre automàtic digital. Font: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,
fonament
El fonament físic d'aquesta tècnica resideix en les propietats de la llum com a ona electromagnètica, consistent en un camp elèctric i un altre magnètic desplaçant-se en direccions mútuament perpendiculars.
Les ones electromagnètiques són transversals, el que significa que aquests camps al seu torn, es propaguen en la direcció perpendicular a ells, segons la figura 2.
No obstant això, com el camp està compost per nombrosos trens d'ones que procedeixen de cada àtom, i cada un està oscil·lant en direccions diferents, la llum natural o la que ve d'una bombeta incandescent no està polaritzada.
En canvi, quan les oscil·lacions de camp ocorren en una direcció preferencial, es diu que la llum està polaritzada. Això es pot aconseguir deixant passar el feix lluminós a través de certes substàncies capaces de bloquejar les components no desitjades i permetent només que el traspassi una especialment.
Figura 2. Animació d'un camp electromagnètic propagant al llarg de l'eix x. Font: Wikimedia Commons. And1mu.
Si a més l'ona lluminosa consisteix d'una sola longitud d'ona, es té un feix monocromàtic polaritzat linealment.
Els materials que actuen com a filtres per aconseguir això s'anomenen polaritzadors o analitzadors. I hi ha substàncies que responen a la llum polaritzada, fent rotar el pla de la polarització. Les hi coneix com a substàncies òpticament actives, per exemple els sucres.
Tipus de polarímetre
En general, els polarímetres poden ser: manuals, automàtics i semiautomàtics i digitals.
manuals
Els polarímetres manuals s'utilitzen en laboratoris de docència i en laboratoris petits, mentre que els automàtics es prefereixen quan es requereix prendre una gran quantitat de mesures, ja que minimitzen el temps emprat en el mesurament.
Automàtics i digitals
Els models automàtics i digitals vénen amb detector fotoelèctric, un sensor que emet una resposta a el canvi de la llum i eleva moltíssim la precisió de les mesures. A més hi ha els que ofereixen la lectura en una pantalla digital, sent molt fàcils d'operar.
Per il·lustrar el funcionament general d'un polarímetre, seguidament es descriu un tipus òptic manual.
Funcionament i parts
Un polarímetre bàsic fa ús de dos prismes de Nicol o bé làmines de polaroid, enmig dels quals se situa la substància òpticament activa que es vol analitzar.
William Nicol (1768-1851) va ser un físic escocès que va dedicar bona part de la seva carrera a la instrumentació. Utilitzant un cristall de calcita o espat d'Islàndia, mineral capaç de desdoblar un raig de llum incident, Nicol va crear en 1828 un prisma amb el qual es podia obtenir llum polaritzada. Es va utilitzar àmpliament en la construcció d'polarímetres.
Figura 4. Cristall de calcita birrefringente. Font: Wikimedia Commons. APN MJM.
Les parts principals d'un polarímetre són:
- La font de llum. Generalment un llum de vapor de sodi, tungstè o mercuri, la longitud d'ona es coneix.
- Polaritzadors. Els models antics usaven prismes de Nicol, en canvi els més moderns solen emprar làmines polaroid, fetes de molècules d'hidrocarburs de cadena llarga amb àtoms de iode.
- Un portamostres. On es col·loca la substància a analitzar, la longitud és variable, però coneguda amb exactitud.
- Un ocular i indicadors proveïts d'escales amb nonios. Perquè l'observador mesuri amb precisió el poder de rotació de la mostra. Els models automàtics disposen de sensors fotoelèctrics.
- A més a indicadors de temperatura i longitud d'ona. Ja que el poder de rotació de moltes substàncies depèn d'aquests paràmetres.
Figura 5. Esquema d'un polarímetre manual. Font: Chang, R. Química.
Polarímetre de Laurent
En el procediment descrit hi ha un petit inconvenient a l'hora que l'observador ajust el mínim de llum, ja que l'ull humà no és capaç de detectar variacions molt petites de lluminositat.
Per esmenar aquest problema, el polarímetre de Laurent afegeix una semi-làmina retardadora de mitja longitud d'ona, feta de material birrefringente.
D'aquesta manera, l'observador disposa al visor de dos o tres regions adjacents de diferent lluminositat, anomenades camps. Així és més fàcil per a l'ull distingir nivells de lluminositat.
Es té la mesura més precisa quan l'analitzador es gira de tal manera que tots els camps es vegin igualment tènues.
Figura 6. Lectura manual d'el polarímetre. Font: F. Zapata.
Llei de Biot
La llei de Biot relaciona el poder rotatori α d'una substància òpticament activa, mesurat en graus sexagesimals, amb la concentració c d'aquesta substància -quan es tracta d'una solució- i la geometria de sistema òptic.
Per això es va posar èmfasi en la descripció de l'polarímetre, en què els valors de la longitud d'ona de la llum i la de l'portamuestra havien de ser coneguts.
La constant de proporcionalitat es denota i es diu poder rotatori específic de la solució. Depèn de la longitud d'ona λ de la llum incident i la temperatura T de la mostra. Els valors de solen estar tabulats a 20 ºC per a la llum de sodi, específicament, la longitud d'ona és 589,3 nm.
Segons el tipus de compost a analitzar, la llei de Biot adopta diferents maneres:
- Sòlids òpticament actius: α =.ℓ
- Líquids purs: α =. ℓ.ρ
- Solucions amb soluts que tenen activitat òptica: α =. ℓ.c
- Mostres amb diversos components òpticament actius: Σα i
Amb les següents magnituds addicionals i les seves unitats:
- Longitud de el porta-mostres: ℓ (en mm per a sòlids i dm per a líquids)
- Densitat dels líquids: ρ (en g / ml)
- Concentració: c (en g / ml o molaritat)
Avantatges i desavantatges
Els polarímetres són instruments de laboratori molt útils en diverses àrees i cada tipus de polarímetre presenta avantatges d'acord a l'ús que se li vagi a donar.
Un gran avantatge de la tècnica en si, és que es tracta d'una prova no destructiva, apropiada a l'hora d'analitzar mostres cares, valuoses o que per algun motiu no puguin duplicar-se. No obstant això, la polarimetria no és aplicable a qualsevol substància, només a aquelles que tinguin activitat òptica o substància quirals, com també se les coneix.
També aquest necessari considerar que la presència d'impureses introdueix errors en els resultats.
L'angle de rotació que produeix la substància analitzada està d'acord amb les seves característiques: el tipus de molècula, la concentració de la solució i fins el solvent utilitzat. Per obtenir totes aquestes dades, cal conèixer amb exactitud la longitud d'ona de la llum utilitzada, la temperatura i la longitud de l'recipient porta-mostres.
La precisió amb què es vol analitzar la mostra és determinant a l'hora d'escollir un equip apropiat. I el seu cost també.
Avantatges i desavantatges de l'polarímetre manual
- Solen ser més econòmics, encara que hi ha versions digitals de baix cost també. Pel que fa a això hi ha molta oferta.
- Són adequats per a ser usats en laboratoris d'ensenyament i com a entrenament, perquè ajuden a que l'operador es familiaritzi amb els aspectes teòrics i pràctics de la tècnica.
- Gairebé sempre són de baix manteniment.
- Són resistents i duradors.
- La lectura de la mesura és una mica més laboriosa, sobretot si la substància a analitzar és de baix poder rotatori, per això l'operari sol ser personal especialitzat.
Avantatges i desavantatges dels polarímetres automàtics i digitals
- Són de fàcil manipulació i lectura, no requereixen de personal especialitzat per a la seva operació.
- El polarímetre digital pot exportar les dades a la impressora o el dispositiu d'emmagatzematge.
- Els polarímetres automàtics requereixen menor temps de mesura (al voltant d'1 segon).
- Tenen opcions per mesurar per intervals.
- El detector fotoelèctric permet analitzar substàncies amb baix poder rotatori.
- Controlen eficientment la temperatura, el paràmetre que més influeix en el mesurament.
- Alguns models són costosos.
- Requereixen manteniment.
aplicacions
La polarimetria té un gran nombre d'aplicacions, com es va dir a l'començament. Les àrees són diverses i els compostos a analitzar poden ser orgànics i inorgànics també. Estan són algunes d'elles:
- En el control de qualitat farmacèutic, ajudant a determinar que les substàncies emprades en la fabricació dels medicaments tinguin la concentració i la puresa adequada.
- Per al control de qualitat de la indústria dels aliments, analitzant la puresa de l'sucre, així com el seu contingut en begudes i llaminadures. Als polarímetres usats d'aquesta manera se'ls crida també sacarímetres i empren una escala particular, diferent a la que es fa servir en altres aplicacions: l'escala ºZ.
Figura 7. El control de qualitat de l'contingut de sucre en vins i sucs de fruites es porta a terme mitjançant polarimetria. Font: Pixabay.
- També en la tecnologia d'aliments es fa servir per trobar el contingut de midó d'una mostra.
- En astrofísica, la polarimetria s'empra per analitzar la polarització de la llum en els estels i l'estudi dels camps magnètics presents en entorns astronòmics i el seu paper en la dinàmica estel·lar.
- La polarimetria és útil en la detecció de malalties de la vista.
- En dispositius de teledetecció satelital per a l'observació de vaixells a alta mar, zones de contaminació enmig de l'oceà o en terra, gràcies a la presa d'imatges amb alt contrast.
- La indústria química utilitza la polarimetria per distingir entre isòmers òptics. Aquestes substàncies tenen idèntiques propietats químiques, ja que les seves molècules tenen igual composició i estructura, però una és imatge especular de l'altra.
Els isòmers òptics difereixen en la manera en com polaritzen la llum (enantiòmers): un isòmer ho fa a l'esquerra (levogir) i l'altre a la dreta (dextrogir), sempre des del punt de vista de l'observador.
- AGS Analítica. Per a què serveix un polarímetre ?. Recuperat de: agsanalitica.com.
- Chang, R. Química. 2013. Onzena edició. McGraw Hill.
- Gavira, J. Polarimetria. Recuperat de: triplenlace.com.
- Instruments Científics. Polarímetres. Recuperat de: uv.es.
- Universitat Politècnica de València. Aplicació de la polarimetria a la
determinació de la puresa d'un sucre. Recuperat de: riunet.upv.es.