ПОЛЯРИМЕТРИЯ: ОБОСНОВАНИЕ, ВИДЫ, ПРИМЕНЕНИЕ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ - ХИМИЯ - 2025

Поляриметрия измеряет вращение поляризованного пучка света проходит , когда он проходит через оптически активное вещество , которое может быть стакан (например , турмалин) или раствором сахара.

Это простой метод, относящийся к оптическим методам анализа и имеющий множество применений, особенно в химической и пищевой промышленности, для определения концентрации сахаристых растворов.

Рисунок 1. Цифровой автоматический поляриметр. Источник: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

основа

Физическая основа этой техники заключается в свойствах света как электромагнитной волны, состоящей из электрического и магнитного полей, движущихся во взаимно перпендикулярных направлениях.

Электромагнитные волны являются поперечными, что означает, что эти поля, в свою очередь, распространяются в направлении, перпендикулярном им, как показано на рисунке 2.

Однако, поскольку поле состоит из многочисленных цепочек волн, исходящих от каждого атома, и каждый из них колеблется в разных направлениях, естественный свет или свет от лампы накаливания не поляризован.

Напротив, когда колебания поля происходят в предпочтительном направлении, свет считается поляризованным. Этого можно достичь, пропустив световой луч через определенные вещества, способные блокировать нежелательные компоненты, и пропустив, в частности, только один из них.

Рисунок 2. Анимация электромагнитного поля, распространяющегося вдоль оси x. Источник: Wikimedia Commons. And1mu.

Если к тому же световая волна состоит из одной длины волны, мы имеем линейно поляризованный монохроматический луч.

Материалы, которые служат для этого фильтрами, называются поляризаторами или анализаторами. А есть вещества, которые реагируют на поляризованный свет, вращая плоскость поляризации. Они известны как оптически активные вещества, например сахара.

Типы поляриметров

В основном поляриметры бывают: ручные, автоматические, полуавтоматические и цифровые.

Руководства

Ручные поляриметры используются в учебных лабораториях и небольших лабораториях, в то время как автоматические поляриметры предпочтительнее, когда требуется большое количество измерений, поскольку они минимизируют время, затрачиваемое на измерения.

Автоматический и цифровой

Автоматические и цифровые модели поставляются с фотоэлектрическим детектором, датчиком, который реагирует на изменение света и значительно повышает точность измерений. Есть также такие, которые предлагают чтение на цифровом экране, и с ними очень легко работать.

Чтобы проиллюстрировать общую работу поляриметра, ниже описывается ручной оптический тип.

Эксплуатация и запчасти

В базовом поляриметре используются две призмы Николя или листы поляроидов, между которыми располагается оптически активное вещество, подлежащее анализу.

Уильям Николь (1768–1851) был шотландским физиком, посвятившим большую часть своей карьеры приборостроению. Используя кристалл кальцита или исландского шпата, минерала, способного расщеплять падающий световой луч, Николь создал в 1828 году призму, с помощью которой можно было получать поляризованный свет. Он широко использовался при создании поляриметров.

Рисунок 4. Кристалл двулучепреломляющего кальцита. Источник: Wikimedia Commons. APN MJM.

Основные части поляриметра:

- Источник света. Обычно это натриевые, вольфрамовые или ртутные лампы с известной длиной волны.

- Поляризаторы. В более старых моделях использовались призмы Николя, в то время как в более современных обычно используются пластины Polaroid, состоящие из длинноцепочечных молекул углеводородов с атомами йода.

- Держатель образца. Куда помещается анализируемое вещество, длина которого варьируется, но точно известна.

- Окуляр и индикаторы с нониусной шкалой. Для того, чтобы наблюдатель мог точно измерить вращательную силу образца. В автоматических моделях есть фотоэлектрические датчики.

- Дополнительно индикаторы температуры и длины волны. Поскольку от этих параметров зависит вращательная сила многих веществ.

Рисунок 5. Схема ручного поляриметра. Источник: Chang, R. Chemistry.

Поляриметр Лорана

В описанной процедуре есть небольшой недостаток, когда наблюдатель регулирует минимум света, поскольку человеческий глаз не способен обнаруживать очень маленькие изменения яркости.

Чтобы решить эту проблему, поляриметр Laurent добавляет полуволны, задерживающие половину длины волны, сделанные из материала с двойным лучепреломлением.

Таким образом, у наблюдателя есть две или три смежных области разной яркости, называемых полями. Это позволяет глазам легче различать уровни освещенности.

Вы получите наиболее точное измерение, когда анализатор повернут так, что все поля будут одинаково тусклыми.

Рисунок 6. Ручное считывание поляриметра. Источник: Ф. Сапата.

Закон Био

Закон Био связывает вращательную силу α оптически активного вещества, измеренную в шестидесятеричных градусах, с концентрацией с указанного вещества - когда оно является раствором - и геометрией оптической системы.

Вот почему при описании поляриметра акцент был сделан на том, что значения длины волны света и держателя образца должны быть известны.

Константа пропорциональности обозначается и называется удельной вращательной силой раствора. Это зависит от длины волны λ падающего света и температуры T образца. Значения обычно табулируются при 20 ° C для натриевого света, в частности, длина волны которого составляет 589,3 нм.

В зависимости от типа анализируемого соединения закон Био принимает разные формы:

- Оптически активные твердые вещества: α = .ℓ

- Чистые жидкости: α =. ℓ.ρ

- Растворы с растворенными веществами, обладающими оптической активностью: α =. ℓ.c

- Образцы с несколькими оптически активными компонентами: ∑α _i

Со следующими дополнительными количествами и их единицами:

- Длина держателя образца: ℓ (в мм для твердых тел и дм для жидкостей)

- Плотность жидкости: ρ (в г / мл)

- Концентрация: c (в г / мл или молярность)

Преимущества и недостатки

Поляриметры - очень полезные лабораторные инструменты в различных областях, и каждый тип поляриметра имеет преимущества в зависимости от его предполагаемого использования.

Большим преимуществом самого метода является то, что это неразрушающий тест, подходящий при анализе дорогих, ценных образцов или которые по какой-либо причине не могут быть дублированы. Однако поляриметрия не применима к каким-либо веществам, только к тем, которые обладают оптической активностью, или к хиральным веществам, как они также известны.

Также необходимо учитывать, что наличие примесей вносит погрешности в результаты.

Угол поворота анализируемого вещества соответствует его характеристикам: типу молекулы, концентрации раствора и даже используемому растворителю. Чтобы получить все эти данные, необходимо точно знать длину волны используемого света, температуру и длину контейнера держателя образца.

При выборе подходящего оборудования решающее значение имеет точность, с которой вы хотите проанализировать образец. И его стоимость тоже.

Преимущества и недостатки ручного поляриметра

- Обычно они дешевле, хотя есть и недорогие цифровые версии. По этому поводу есть много предложений.

- Они подходят для использования в учебных лабораториях и в качестве учебных, поскольку помогают оператору ознакомиться с теоретическими и практическими аспектами техники.

- Они почти всегда не требуют особого ухода.

- Они прочные и прочные.

- Считывание результатов измерения немного сложнее, особенно если анализируемое вещество имеет низкую вращающую способность, поэтому оператор обычно является специализированным персоналом.

Преимущества и недостатки автоматических и цифровых поляриметров

- С ними легко обращаться и читать, для их работы не требуется специализированный персонал.

- Цифровой поляриметр может экспортировать данные на принтер или запоминающее устройство.

- Автоматические поляриметры требуют меньшего времени измерения (около 1 секунды).

- У них есть варианты измерения по интервалам.

- Фотоэлектрический детектор позволяет анализировать вещества с низкой вращательной силой.

- Эффективно контролировать температуру, параметр, который больше всего влияет на измерение.

- Некоторые модели дорогие.

- Они требуют обслуживания.

Приложения

Как упоминалось в начале, поляриметрия имеет множество применений. Области разнообразны, и анализируемые соединения могут быть как органическими, так и неорганическими. Вот некоторые из них:

- В фармацевтическом контроле качества помогает определить, что вещества, используемые при производстве лекарственных средств, имеют соответствующую концентрацию и чистоту.

- Для контроля качества пищевой промышленности, анализа чистоты сахара, а также его содержания в напитках и сладостях. Поляриметры, используемые таким образом, также называются сахариметрами и используют особую шкалу, отличную от той, которая используется в других приложениях: шкала ºZ.

Рисунок 7. Контроль качества содержания сахара в винах и фруктовых соках осуществляется поляриметрическим методом. Источник: Pixabay.

- Также в пищевой промышленности он используется для определения содержания крахмала в образце.

- В астрофизике поляриметрия используется для анализа поляризации света в звездах и для изучения магнитных полей, присутствующих в астрономической среде, и их роли в звездной динамике.

- Поляриметрия полезна при обнаружении глазных болезней.

- В устройствах спутникового дистанционного зондирования для наблюдения за кораблями в открытом море, загрязненными районами посреди океана или на суше благодаря получению изображений с высокой контрастностью.

- В химической промышленности для различения оптических изомеров используется поляриметрия. Эти вещества имеют идентичные химические свойства, поскольку их молекулы имеют одинаковый состав и структуру, но одно является зеркальным отражением другого.

Оптические изомеры различаются способом поляризации света (энантиомеры): один изомер делает это влево (левый), а другой - вправо (правый), всегда с точки зрения наблюдателя.

1. AGS Analytical. Для чего нужен поляриметр? Получено с: agsanalitica.com.
2. Чанг, Р. Химия. 2013. Издание одиннадцатое. Макгроу Хилл.
3. Гавира, Дж. Поляриметрия. Получено с: triplenlace.com.
4. Научные инструменты. Поляриметры. Получено с: uv.es.
5. Политехнический университет Валенсии. Применение поляриметрии для
   определения чистоты сахара. Получено с: riunet.upv.es.