POLARIMETRIJA: UTEMELJITEV, VRSTE, APLIKACIJE, PREDNOSTI IN SLABOSTI - KEMIJA - 2025

Polarimetrija meri vrtenje polarizirane podvržen snop svetlobe, ko je skozi optično aktivne snovi, ki so lahko kozarec (npr turmalina) ali raztopine sladkorja.

Gre za preprosto tehniko, ki pripada optičnim analiznim metodam in s številnimi aplikacijami za določanje koncentracije sladkornih raztopin, zlasti v kemični in agroživilski industriji.

Slika 1. Digitalni avtomatski polarimeter. Vir: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Osnove

Fizični temelj te tehnike je v lastnostih svetlobe kot elektromagnetnega vala, sestavljenega iz električnega in magnetnega polja, ki se gibljeta v medsebojno pravokotni smeri.

Elektromagnetni valovi so prečni, kar pomeni, da se ta polja razširijo v smeri, pravokotni na njih, v skladu s sliko 2.

Ker pa polje sestavljajo številni valovni vlaki, ki prihajajo iz vsakega atoma, in vsak niha v različnih smereh, naravna svetloba ali tista, ki prihaja iz žarnice z žarilno nitko, ni polarizirana.

V nasprotju s tem pa, ko se nihanja polja pojavljajo v preferenčni smeri, svetloba pravi, da je polarizirana. To lahko dosežemo tako, da svetlobni žarek preide skozi nekatere snovi, ki lahko blokirajo neželene sestavne dele in omogočajo, da gre skozi le še en.

Slika 2. Animacija elektromagnetnega polja, ki se širi vzdolž osi x. Vir: Wikimedia Commons. And1mu.

Če poleg tega svetlobni val sestoji iz ene same valovne dolžine, imamo linearno polariziran enobarvni žarek.

Materiale, ki delujejo kot filtri za dosego tega, imenujemo polarizatorji ali analizatorji. In obstajajo snovi, ki se odzivajo na polarizirano svetlobo in vrtijo ravnino polarizacije. Znane so kot optično aktivne snovi, na primer sladkorji.

Vrste polarimetra

Na splošno so polarimetri lahko: ročni, avtomatski in polavtomatski in digitalni.

Priročniki

Ročni polarimetri se uporabljajo v učnih laboratorijih in majhnih laboratorijih, avtomatski pa so prednostni, kadar je potrebnih veliko število meritev, saj zmanjšajo čas, porabljen za merjenje.

Samodejno in digitalno

Samodejni in digitalni modeli so opremljeni s fotoelektričnim detektorjem, senzorjem, ki oddaja odziv na spremembo svetlobe in močno poveča natančnost meritev. Obstajajo tudi takšni, ki ponujajo branje na digitalnem zaslonu, saj je zelo enostavno upravljati.

Za ponazoritev splošnega delovanja polarimetra je spodaj opisan ročni optični tip.

Delovanje in deli

Osnovni polarimeter uporablja dve Nicol prizmi ali Polaroid listov, med katerimi je optično aktivna snov, ki jo je treba analizirati.

William Nicol (1768-1851) je bil škotski fizik, ki je velik del svoje kariere posvetil instrumentaciji. S pomočjo kristala kalcita ali islandske lopatice, minerala, ki lahko cepi vpadni svetlobni žarek, je Nicol leta 1828 ustvaril prizmo, s katero je bilo mogoče dobiti polarizirano svetlobo. Široko se je uporabljal pri gradnji polarimetrov.

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

Glavni deli polarimetra so:

- Svetlobni vir. Na splošno natrijeva, volframova ali živosrebrna sijalka, katerih valovna dolžina je znana.

- Polarizatorji. Starejši modeli so uporabili Nicol prizme, sodobnejši pa ponavadi uporabljajo Polaroidne pločevine, izdelane iz dolgoverižnih molekul ogljikovodika z atomi joda.

- imetnik vzorca Kje se nahaja snov, ki jo je treba analizirati, katere dolžina je spremenljiva, vendar natančno znana.

- okular in indikatorji, opremljeni z lestvicami vernier. Da lahko opazovalec natančno izmeri vrtilno moč vzorca. Avtomatski modeli imajo fotoelektrične senzorje.

- Poleg tega indikatorji temperature in valovne dolžine. Ker je moč rotacije mnogih snovi odvisna od teh parametrov.

Slika 5. Shema ročnega polarimetra. Vir: Chang, R. Kemija.

Laurent Polarimeter

V opisanem postopku je majhna pomanjkljivost, ko opazovalec prilagodi minimum svetlobe, saj človeško oko ni sposobno zaznati zelo majhnih sprememb svetilnosti.

Da bi odpravil to težavo, polarimeter Laurent doda polovico, ki zavira dolžino valovne dolžine, narejen iz dvoreznega materiala.

Na ta način ima opazovalec v gledalcu dve ali tri sosednje regije z različnimi svetilnostmi, imenovanimi polji. Tako oko olajša razlikovanje svetlobne ravni.

Najnatančnejšo meritev imate, če je analizator obrnjen tako, da so vsa polja enako zatemnjena.

Slika 6. Ročno odčitavanje polarimetra. Vir: F. Zapata.

Biotov zakon

Biotov zakon povezuje rotacijsko moč α optično aktivne snovi, merjeno v spolnih stopnjah, s koncentracijo c te snovi - ko je to raztopina - in geometrijo optičnega sistema.

Zato je bil v opisu polarimetra poudarek, da je treba poznati vrednosti valovne dolžine svetlobe in svetlobe nosilca vzorca.

Označujemo konstanto sorazmernosti in jo imenujemo specifična rotacijska moč raztopine. Odvisno je od valovne dolžine λ vpadne svetlobe in temperature T vzorca. Vrednosti so ponavadi tabelirane pri 20 ° C za natrijevo svetlobo, zlasti njihova valovna dolžina je 589,3 nm.

Biotov zakon je glede na vrsto spojine, ki jo je treba analizirati, v različnih oblikah:

- optično aktivne trdne snovi: α = .ℓ

- Čista tekočina: α =. ℓ.ρ

- raztopine s topili, ki imajo optično aktivnost: α =. ℓ.c

- Vzorci z več optično aktivnimi komponentami: ∑α _i

Z naslednjimi dodatnimi količinami in njihovimi enotami:

- Dolžina nosilca vzorca: ℓ (v mm za trdne snovi in ​​dm za tekočine)

- Gostota tekočin: ρ (v g / ml)

- koncentracija: c (v g / ml ali molarnost)

Prednosti in slabosti

Polarimetri so zelo uporabni laboratorijski instrumenti na različnih področjih in vsaka vrsta polarimetra ima prednosti glede na predvideno uporabo.

Velika prednost same tehnike je, da gre za test brez uničevanja, primeren za analizo dragih, dragocenih vzorcev ali da iz nekega razloga ni mogoče podvajati. Vendar pa se polarimetrija ne uporablja za nobeno snov, samo za tiste, ki imajo optično aktivnost ali kiralne snovi, saj so tudi znane.

Upoštevati je treba tudi, da prisotnost nečistoč vnese rezultate v napake.

Zasuk kota, ki ga ustvarja analizirana snov, je v skladu z njenimi značilnostmi: vrsto molekule, koncentracijo raztopine in celo uporabljeno topilo. Za pridobitev vseh teh podatkov je treba natančno vedeti valovno dolžino uporabljene svetlobe, temperaturo in dolžino posode za držalo vzorca.

Natančnost, s katero želite analizirati vzorec, je odločilna pri izbiri ustrezne opreme. In tudi njeni stroški.

Prednosti in slabosti ročnega polarimetra

- Ponavadi so cenejše, čeprav obstajajo tudi nizkocenovne digitalne različice. Glede tega je veliko ponudbe.

- Primerni so za uporabo v učnih laboratorijih in kot usposabljanje, saj pomagajo upravljavcu, da se seznani s teoretičnimi in praktičnimi vidiki tehnike.

- Skoraj vedno imajo malo vzdrževanja.

- so odporni in trpežni.

- Odčitavanje meritev je nekoliko bolj naporno, še posebej, če ima snov, ki jo je treba analizirati, nizko rotacijsko moč, zato je upravljavec običajno specializirano osebje.

Prednosti in slabosti avtomatskih in digitalnih polarimetrov

- So enostavni za ravnanje in branje, za svoje delovanje ne potrebujejo specializiranega osebja.

- Digitalni polarimeter lahko podatke izvaža v tiskalnik ali pomnilniško napravo.

- Samodejni polarimetri zahtevajo manj časa za merjenje (približno 1 sekundo).

- Imajo možnosti merjenja po intervalih.

- Fotoelektrični detektor omogoča analizo snovi z nizko rotacijsko močjo.

- Učinkovito nadzirajte temperaturo, parameter, ki najbolj vpliva na meritev.

- Nekateri modeli so dragi.

- Zahtevajo vzdrževanje.

Prijave

Polarimetrija ima veliko število aplikacij, kot je bilo omenjeno na začetku. Območja so raznolika, spojine, ki jih je treba analizirati, pa so lahko tudi organske in anorganske. To je nekaj takšnih:

- pri farmacevtskem nadzoru kakovosti, ki pomaga ugotoviti, ali imajo snovi, ki se uporabljajo pri proizvodnji zdravil, ustrezno koncentracijo in čistost.

- za nadzor kakovosti živilske industrije, analizo čistosti sladkorja, pa tudi njegove vsebnosti v pijačah in sladicah. Polarimetre, ki se uporabljajo na ta način, imenujemo tudi saharimetri in uporabljajo posebno lestvico, ki se razlikuje od tiste, ki se uporablja v drugih aplikacijah: ºZ lestvica.

Slika 7. Nadzor kakovosti vsebnosti sladkorja v vinih in sadnih sokovih se izvaja s polarimetrijo. Vir: Pixabay.

- Tudi v živilski tehnologiji se uporablja za iskanje vsebnosti škroba v vzorcu.

- Polarimetrija se v astrofiziki uporablja za analizo polarizacije svetlobe v zvezdah in za proučevanje magnetnih polj, prisotnih v astronomskih okoljih, in njihovo vlogo v zvezdni dinamiki.

- Polarimetrija je uporabna pri odkrivanju očesnih bolezni.

- v satelitskih napravah za daljinsko zaznavanje za opazovanje ladij v odprtem morju, onesnaževanja sredi oceana ali na kopnem, zahvaljujoč fotografiranju z visokim kontrastom.

- Kemična industrija za ločevanje med optičnimi izomeri uporablja polarimetrijo. Te snovi imajo enake kemijske lastnosti, saj imajo njihove molekule enako sestavo in strukturo, ena pa je zrcalna slika druge.

Optični izomeri se razlikujejo po načinu polarizacije svetlobe (enantiomeri): en izomer to počne levo (levičar), drugi pa desno (desničar), vedno z vidika opazovalca.

1. AGS Analitika. Za kaj je polarimeter? Pridobljeno: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Kemija. 2013. Enajsta izdaja. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetrija. Pridobljeno: triplenlace.com.
4. Znanstveni instrumenti. Polarimetri. Pridobljeno: uv.es.
5. Politehnična univerza v Valenciji. Uporaba polarimetrije za
   določanje čistosti sladkorja. Pridobljeno: riunet.upv.es.