POLARIMETRIJA: OBRAZLOŽENJE, VRSTE, PRIMJENE, PREDNOSTI I NEDOSTACI - KEMIJA - 2026

Polarimetrija mjeri rotacije polarizirane svjetlosti prolazi kada se prolazi kroz optički aktivnom tvari koja može biti na primjer staklo (turmalin) ili otopine šećera.

To je jednostavna tehnika, koja pripada optičkim metodama analize i s brojnim primjenama, posebice u kemijskoj i poljoprivredno-prehrambenoj industriji za određivanje koncentracije slatkih otopina.

Slika 1. Digitalni automatski polarimetar. Izvor: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,

osnova

Fizički temelj ove tehnike nalazi se u svojstvima svjetlosti kao elektromagnetskog vala, koja se sastoji od električnog i magnetskog polja koji se kreću u međusobno okomitim smjerovima.

Elektromagnetski valovi su poprečni, što znači da se ta polja zauzvrat šire u pravcu okomitom na njih, prema slici 2.

Međutim, budući da se polje sastoji od mnogobrojnih valnih vozova koji dolaze iz svakog atoma, a svaki oscilira u različitim smjerovima, prirodno svjetlo ili ono što dolazi iz žarulje sa žarnom niti nije polarizirano.

Suprotno tome, kada se oscilacije polja javljaju u preferencijalnom smjeru, kaže se da je svjetlost polarizirana. To se može postići puštanjem snopa svjetlosti kroz određene tvari koje mogu blokirati neželjene komponente i dopuštajući da prođu kroz njih samo jedan.

Slika 2. Animacija elektromagnetskog polja koje se širi duž osi x. Izvor: Wikimedia Commons. And1mu.

Ako se, uz to, svjetlosni val sastoji od jedne valne duljine, imamo linearno polarizirani jednobojni snop.

Materijali koji djeluju kao filtri da bi se to postiglo nazivaju se polarizatori ili analizatori. A postoje tvari koje reagiraju na polariziranu svjetlost, rotirajući ravninu polarizacije. Poznate su kao optički aktivne tvari, na primjer šećeri.

Vrste polarimetra

Općenito, polarimetri mogu biti: ručni, automatski i poluautomatski te digitalni.

priručnici

Ručni polarimetri koriste se u nastavnim laboratorijima i malim laboratorijima, dok se automatski preferiraju kada je potreban veliki broj mjerenja, jer smanjuju vrijeme provedeno na mjerenju.

Automatski i digitalni

Automatski i digitalni modeli dolaze s fotoelektričnim detektorom, senzorom koji odašilje reakciju na promjenu svjetlosti i uvelike povećava preciznost mjerenja. Postoje i oni koji nude čitanje na digitalnom zaslonu jer su vrlo jednostavni za rukovanje.

Za ilustraciju općeg rada polarimetra, niže je opisan ručni optički tip.

Rad i dijelovi

Osnovni polarimetar koristi dvije Nicol prizme ili polaroidne ploče između kojih se nalazi optički aktivna tvar koja se analizira.

William Nicol (1768-1851) bio je škotski fizičar koji je velik dio svoje karijere posvetio instrumentaciji. Koristeći kristal kalcita ili islandsku sparu, mineral koji je sposoban cijepati upadnu svjetlosnu zraku, Nicol je 1828. stvorio prizmu s kojom se može dobiti polarizirana svjetlost. Široko se koristio u izgradnji polarimetara.

Slika 4. Birefringentni kristal kalcita. Izvor: Wikimedia Commons. APN MJM.

Glavni dijelovi polarimetra su:

- Izvor svjetlosti. Općenito natrijeva, volframova ili živa žarulja, čija je valna duljina poznata.

- Polarizeri. Stariji modeli koristili su Nicol prizme, dok moderniji obično koriste Polaroidne ploče, izrađene od dugolančanih molekula ugljikovodika s atomima joda.

- Držač uzorka. Gdje se nalazi tvar koja se analizira, čija je duljina promjenjiva, ali točno se zna.

- okular i indikatori opskrbljeni vagarom. Da bi promatrač mogao točno izmjeriti rotacijsku snagu uzorka. Automatski modeli imaju fotoelektrične senzore.

- Uz to, pokazatelji temperature i valne duljine. Budući da rotacijska snaga mnogih tvari ovisi o tim parametrima.

Slika 5. Shema ručnog polarimetra. Izvor: Chang, R. Kemija.

Laurent Polarimetar

U opisanom postupku postoji mala neugodnost kada promatrač podešava minimum svjetla, jer ljudsko oko nije sposobno otkriti vrlo male varijacije svjetline.

Kako bi otklonio ovaj problem, polarimetar Laurent dodaje pola talasa koji zadržava valnu duljinu, izrađen je od dvospolnog materijala.

Na taj način promatrač u gledatelju ima dvije ili tri susjedne regije različite svjetline, koje se nazivaju polja. To olakšava oko za razlikovanje razine svjetlosti.

Najpreciznije je mjerenje kada se analizator okrene na takav način da su sva polja podjednako zatamnjena.

Slika 6. Ručno očitavanje polarimetra. Izvor: F. Zapata.

Biotov zakon

Biotov zakon povezuje rotacijsku snagu α optički aktivne tvari, izmjerenu u spolnim stupnjevima, s koncentracijom c te tvari - kad je to otopina - i geometrijom optičkog sustava.

Zbog toga je naglasak stavljen u opis polarimetra, da moraju biti poznate vrijednosti valne duljine svjetlosti i vrijednosti nosača uzorka.

Konstanta proporcionalnosti označava se i naziva se specifičnom rotacijskom snagom otopine. To ovisi o valnoj duljini λ upadne svjetlosti i temperaturi T uzorka. Vrijednosti od obično se tabuliraju na 20 ° C za natrij svjetlost, čija je talasna dužina 589,3 nm.

Ovisno o vrsti spoja koji se analizira, Biotov zakon ima različite oblike:

- Optički aktivne krute tvari: α =.ℓ

- Čista tekućina: α =. ℓ.ρ

- Otopine s rastvorenima koji imaju optičku aktivnost: α =. ℓ.c

- Uzorci s nekoliko optički aktivnih komponenti: ∑α _i

Uz sljedeće dodatne količine i njihove jedinice:

- Duljina držača uzorka: ℓ (u mm za krute tvari i dm za tekućine)

- Gustoća tekućina: ρ (u g / ml)

- Koncentracija: c (u g / ml ili molarnost)

Prednosti i nedostatci

Polarimetri su vrlo korisni laboratorijski instrumenti u raznim područjima i svaka vrsta polarimetra ima prednosti prema svojoj namjeni.

Velika prednost same tehnike je u tome što je to nerazorni test, prikladan za analizu skupih, vrijednih uzoraka ili iz nekog razloga koji se ne može kopirati. Međutim, polarimetrija nije primjenjiva ni na jednu tvar, samo na one koje imaju optičku aktivnost ili kiralne tvari, kao što su poznate.

Također je potrebno uzeti u obzir da prisutnost nečistoća uvodi u pogreške u rezultatima.

Kut rotacije koji nastaje analiziranoj tvari u skladu je s njezinim karakteristikama: vrstom molekule, koncentracijom otopine, pa čak i korištenim otapalom. Za dobivanje svih ovih podataka potrebno je točno znati valnu duljinu korištenog svjetla, temperaturu i duljinu spremnika za uzorak.

Preciznost kojom želite analizirati uzorak presudna je pri odabiru odgovarajuće opreme. I njegov trošak.

Prednosti i nedostaci ručnog polarimetra

- Obično su jeftiniji, iako postoje i jeftine digitalne verzije. Što se toga tiče, postoji puno ponuda.

- Prikladni su za upotrebu u nastavnim laboratorijima i kao obuka, jer pomažu rukovatelju da se upozna sa teorijskim i praktičnim aspektima tehnike.

- Gotovo uvijek imaju malo održavanja.

- Otporni su i izdržljivi.

- Čitanje mjerenja malo je napornije, pogotovo ako tvar koja se analizira ima malu rotacijsku snagu, pa je operater obično specijalizirano osoblje.

Prednosti i nedostaci automatskih i digitalnih polarimetara

- Jednostavni su za rukovanje i čitanje, za njihov rad ne treba specijalizirano osoblje.

- Digitalni polarimetar može izvesti podatke na pisač ili uređaj za pohranu.

- Automatski polarimetri zahtijevaju manje vremena za mjerenje (oko 1 sekunde).

- Imaju mogućnosti mjerenja u intervalima.

- Fotoelektrični detektor omogućava analizu tvari s malom rotacijskom snagom.

- Učinkovito kontrolirajte temperaturu, parametar koji najviše utječe na mjerenje.

- Neki su modeli skupi.

- Oni zahtijevaju održavanje.

Prijave

Polarimetrija ima veliki broj primjena, kao što je spomenuto na početku. Područja su raznolika, a spojevi koji se analiziraju mogu biti i organski i anorganski. Ovo su neke od njih:

- U kontroli farmaceutske kvalitete, pomaže u utvrđivanju da tvari korištene u proizvodnji lijekova imaju odgovarajuću koncentraciju i čistoću.

- Za kontrolu kvalitete prehrambene industrije, analizu čistoće šećera, kao i njegov sadržaj u pićima i slatkišima. Polarimetri koji se koriste na ovaj način nazivaju se i saharimetri i koriste određenu skalu, različitu od one koja se koristi u drugim primjenama: ºZ ljestvica.

Slika 7. Kontrola kvalitete sadržaja šećera u vinima i voćnim sokovima provodi se polarimetrijom. Izvor: Pixabay.

- Također se u prehrambenoj tehnologiji koristi za pronalaženje sadržaja škroba u uzorku.

- U astrofizici se polarimetrija koristi za analizu polarizacije svjetlosti u zvijezdama i za proučavanje magnetskih polja prisutnih u astronomskim okruženjima i njihove uloge u zvjezdanoj dinamici.

- Polarimetrija je korisna u otkrivanju očnih bolesti.

- U satelitskim daljinskim senzorima za promatranje brodova u otvorenom moru, područja onečišćenja usred oceana ili na kopnu, zahvaljujući snimanju slika s visokim kontrastom.

- Kemijska industrija koristi polarimetriju da razlikuje optičke izomere. Te tvari imaju identična kemijska svojstva, jer njihove molekule imaju isti sastav i strukturu, ali jedna je zrcalna slika druge.

Optički izomeri razlikuju se u načinu na koji polariziraju svjetlost (enantiomeri): jedan izomer to čini s lijeve strane (lijevi), a drugi s desne strane (desna ruka), uvijek s promatračke točke gledišta.

1. AGS Analitička. Čemu služi polarimetar? Oporavilo od: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Kemija. 2013. Jedanaesto izdanje. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetrija. Oporavilo od: triplenlace.com.
4. Znanstveni instrumenti. Polarimeters. Oporavak od: uv.es.
5. Veleučilište u Valenciji. Primjena polarimetrije za

   određivanje čistoće šećera. Oporavak od: riunet.upv.es.