POLARIMETRIE: ZDŮVODNĚNÍ, TYPY, APLIKACE, VÝHODY A NEVÝHODY - CHEMIE - 2025

Polarimetrie měří otáčení polarizovaný světelný paprsek prochází, když se prochází přes opticky aktivní látkou, která může být skla (např. Turmalín) nebo roztok cukru.

Je to jednoduchá technika, která patří k optickým metodám analýzy as četnými aplikacemi, zejména v chemickém a zemědělsko-potravinářském průmyslu, ke stanovení koncentrace roztoků cukru.

Obrázek 1. Digitální automatický polarimetr. Zdroj: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,

Základ

Fyzikální základ této techniky spočívá ve vlastnostech světla jako elektromagnetické vlny, sestávající z elektrického a magnetického pole pohybujícího se ve vzájemně kolmých směrech.

Elektromagnetické vlny jsou příčné, což znamená, že tato pole se podle obrázku 2 dále šíří ve směru kolmém na ně.

Nicméně, protože pole je tvořeno četnými vlnovými vlaky, které přicházejí z každého atomu, a každý z nich kmitá v různých směrech, přirozené světlo nebo to, které vychází z žárovky, není polarizováno.

Na rozdíl od toho, když k oscilacím pole dochází v preferenčním směru, říká se, že světlo je polarizované. Toho lze dosáhnout tím, že se nechá světelný paprsek projít určitými látkami, které jsou schopné blokovat nežádoucí složky a umožnit projít pouze jednomu zvláště.

Obrázek 2. Animace šíření elektromagnetického pole podél osy x. Zdroj: Wikimedia Commons. And1mu.

Pokud světelná vlna sestává také z jediné vlnové délky, máme lineárně polarizovaný monochromatický paprsek.

Materiály, které k tomu slouží jako filtry, se nazývají polarizátory nebo analyzátory. A existují látky, které reagují na polarizované světlo a rotují rovinu polarizace. Jsou známy jako opticky aktivní látky, například cukry.

Druhy polarimetru

Obecně mohou být polarimetry: manuální, automatické a poloautomatické a digitální.

Manuály

Manuální polarimetry se používají ve výukových laboratořích a malých laboratořích, zatímco automatické laboratoře jsou preferovány, pokud je vyžadováno velké množství měření, protože minimalizují čas strávený na měření.

Automatické a digitální

Automatické a digitální modely jsou dodávány s fotoelektrickým detektorem, senzorem, který vysílá reakci na změnu světla a výrazně zvyšuje přesnost měření. Tam jsou také ty, které nabízejí čtení na digitální obrazovce, je velmi snadno ovladatelný.

Pro ilustraci obecné činnosti polarimetru je níže popsán ruční optický typ.

Provoz a části

Základní polarimetr využívá dva Nicol hranoly nebo Polaroidy, mezi nimiž je umístěna opticky aktivní látka, která má být analyzována.

William Nicol (1768-1851) byl skotský fyzik, který věnoval velkou část své kariéry instrumentaci. Použitím krystalu kalcitu nebo islandského nosníku, minerálu schopného rozdělit dopadající paprsek světla, vytvořil Nicol v roce 1828 hranol, pomocí kterého bylo možné získat polarizované světlo. To bylo široce používáno v konstrukci polarimeters.

Obrázek 4. Dvojlomný krystal kalcitu. Zdroj: Wikimedia Commons. APN MJM.

Hlavní části polarimetru jsou:

- Světelný zdroj. Obecně sodíková, wolframová nebo rtuťová výbojka, jejíž vlnová délka je známa.

- Polarizátory. Starší modely používaly Nicol hranoly, zatímco modernější obvykle používají Polaroid listy, vyrobené z molekul uhlovodíků s dlouhým řetězcem s atomy jodu.

- Držák vzorku. Kde je umístěna analyzovaná látka, jejíž délka je proměnná, ale přesně známa.

- Okulár a indikátory vybavené stupnicemi s přesností. Aby pozorovatel přesně změřil rotační sílu vzorku. Automatické modely mají fotoelektrické senzory.

- Kromě toho ukazatele teploty a vlnové délky. Protože rotační síla mnoha látek závisí na těchto parametrech.

Obrázek 5. Schéma manuálního polarimetru. Zdroj: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

V popsaném postupu existuje malá nevýhoda, když pozorovatel nastaví minimum světla, protože lidské oko není schopno detekovat velmi malé změny svítivosti.

K odstranění tohoto problému přidává Laurentův polarimetr poloviční vlnovou délku zpomalovající polovinu, vyrobenou z dvojlomného materiálu.

Tímto způsobem má pozorovatel v prohlížeči dva nebo tři sousední oblasti různé jasnosti, nazývané pole. To usnadňuje oko rozlišit úrovně světla.

Máte nejpřesnější měření, když je analyzátor otočen tak, že všechna pole jsou stejně tlumená.

Obrázek 6. Ruční čtení polarimetru. Zdroj: F. Zapata.

Biotův zákon

Biotův zákon souvisí s rotační silou α opticky aktivní látky, měřenou v sexagesimálních stupních, s koncentrací c uvedené látky - pokud jde o řešení - a geometrií optického systému.

Proto byl kladen důraz na popis polarimetru, že musely být známy hodnoty vlnové délky světla a hodnoty držáku vzorku.

Konstanta proporcionality je označována a nazývána specifická rotační síla řešení. Závisí to na vlnové délce λ dopadajícího světla a teplotě T vzorku. Hodnoty jsou obvykle uvedeny při 20 ° C pro sodíkové světlo, konkrétně s vlnovou délkou 589,3 nm.

V závislosti na typu sloučeniny, která má být analyzována, má Biotův zákon různé formy:

- Opticky aktivní pevné látky: α =.ℓ

- Čisté kapaliny: α =. ℓ.ρ

- Roztoky s rozpuštěnými látkami, které mají optickou aktivitu:. ℓ.c

- Vzorky s několika opticky aktivními složkami: ∑α _i

S následujícími dodatečnými množstvími a jejich jednotkami:

- Délka držáku vzorku: ℓ (v mm pro pevné látky a dm pro kapaliny)

- Hustota kapalin: ρ (vg / ml)

- Koncentrace: c (vg / ml nebo molarita)

Výhody a nevýhody

Polarimetry jsou velmi užitečnými laboratorními nástroji v různých oblastech a každý typ polarimetru má výhody podle zamýšleného použití.

Velkou výhodou samotné techniky je to, že se jedná o nedestruktivní test, vhodný při analýze drahých a cenných vzorků nebo že z nějakého důvodu nelze duplikovat. Polarimetrie se však nevztahuje na žádnou látku, pouze na látky, které mají optickou aktivitu nebo chirální látky, jak jsou také známy.

Je také nutné vzít v úvahu, že přítomnost nečistot způsobuje chyby ve výsledcích.

Úhel rotace produkovaný analyzovanou látkou je v souladu s jejími charakteristikami: typ molekuly, koncentrace roztoku a dokonce i použité rozpouštědlo. K získání všech těchto údajů je nutné přesně znát vlnovou délku použitého světla, teplotu a délku nádoby na držák vzorku.

Přesnost, se kterou chcete analyzovat vzorek, je rozhodující při výběru vhodného vybavení. A také jeho náklady.

Výhody a nevýhody manuálního polarimetru

- Mají tendenci být levnější, i když existují i ​​levné digitální verze. Pokud jde o toto, existuje spousta nabídek.

- Jsou vhodné pro použití ve výukových laboratořích a jako školení, protože pomáhají operátorovi seznámit se s teoretickými a praktickými aspekty techniky.

- Jsou téměř vždy bezúdržbové.

- Jsou odolné a trvanlivé.

- Čtení měření je trochu pracnější, zejména pokud má látka, která má být analyzována, nízkou rotační sílu, proto je obsluhou obvykle specializovaný personál.

Výhody a nevýhody automatických a digitálních polarimetrů

- Snadno se s nimi manipuluje a čte, pro jejich provoz nevyžadují specializovaný personál.

- Digitální polarimetr může exportovat data do tiskárny nebo paměťového zařízení.

- Automatické polarimetry vyžadují kratší dobu měření (přibližně 1 sekundu).

- Mají možnosti měření podle intervalů.

- Fotoelektrický detektor umožňuje analyzovat látky s nízkou rotační silou.

- Účinně regulujte teplotu, parametr, který nejvíce ovlivňuje měření.

- Některé modely jsou drahé.

- Vyžadují údržbu.

Aplikace

Polarimetrie má velké množství aplikací, jak bylo uvedeno na začátku. Oblasti jsou rozmanité a sloučeniny, které se mají analyzovat, mohou být také organické a anorganické. To jsou některé z nich:

- Při kontrole kvality léčiv pomáhá určit, zda látky používané při výrobě léčiv mají odpovídající koncentraci a čistotu.

- Pro kontrolu kvality potravinářského průmyslu, analýzu čistoty cukru a jeho obsahu v nápojích a cukrovinkách. Polarimetry používané tímto způsobem se také nazývají sacharimetry a používají konkrétní měřítko odlišné od toho, které se používá v jiných aplikacích: měřítko „Z“.

Obrázek 7. Kontrola kvality obsahu cukru ve vínech a ovocných šťávách se provádí polarimetricky. Zdroj: Pixabay.

- Také v potravinářské technologii se používá ke zjištění obsahu škrobu ve vzorku.

- V astrofyzice se polarimetrie používá k analýze polarizace světla ve hvězdách a ke studiu magnetických polí přítomných v astronomických prostředích a jejich role ve hvězdné dynamice.

- Polarimetrie je užitečná při detekci očních chorob.

- V družicových dálkových snímacích zařízeních pro pozorování lodí na volném moři, v oblastech znečištění uprostřed oceánu nebo na souši díky fotografování s vysokým kontrastem.

- Chemický průmysl používá k rozlišení optických izomerů polarimetrii. Tyto látky mají stejné chemické vlastnosti, protože jejich molekuly mají stejné složení a strukturu, ale jedna je zrcadlovým obrazem druhé.

Optické izomery se liší ve způsobu, jakým polarizují světlo (enantiomery): jeden izomer tak činí zleva (levotočivý) a druhý doprava (pravotočivý), vždy z pohledu pozorovatele.

1. AGS Analytical. Na co je polarimetr? Obnoveno z: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chemistry. 2013. Jedenácté vydání. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Obnoveno z: triplenlace.com.
4. Vědecké přístroje. Polarimetry. Obnoveno z: uv.es.
5. Polytechnická univerzita ve Valencii. Aplikace polarimetrie pro

   stanovení čistoty cukru. Obnoveno z: riunet.upv.es.