POLARIMETRI: BEGRUNDELSE, TYPER, ANVENDELSER, FORDELE OG ULEMPER - KEMI - 2025

Den polarimetri måler rotationen af en polariseret lysstråle undergår når det passerer gennem et optisk aktivt stof, som kan være et glas (for eksempel turmalin) eller en sukkeropløsning.

Det er en simpel teknik, der hører til de optiske analysemetoder og med adskillige anvendelser, især i den kemiske industri og landbrugsfødevareindustrien til at bestemme koncentrationen af ​​sukkeropløsninger.

Figur 1. Digital automatisk polarimeter. Kilde: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,

Basis

Det fysiske fundament for denne teknik ligger i lysets egenskaber som en elektromagnetisk bølge, der består af et elektrisk og et magnetisk felt, der bevæger sig i gensidigt lodrette retninger.

Elektromagnetiske bølger er tværgående, hvilket betyder, at disse felter på sin side spreder sig i retningen vinkelret på dem i henhold til figur 2.

Da feltet imidlertid består af adskillige bølgetog, der kommer fra hvert atom, og hver svinger i forskellige retninger, er naturligt lys eller det, der kommer fra en glødepære, ikke polariseret.

I modsætning hertil, når svingningerne i marken forekommer i en præferenceretning, siges lyset at være polariseret. Dette kan opnås ved at lade lysstrålen passere gennem bestemte stoffer, der er i stand til at blokere uønskede komponenter og kun lade en især passere.

Figur 2. Animation af et elektromagnetisk felt, der forplantes langs x-aksen. Kilde: Wikimedia Commons. And1mu.

Hvis lysbølgen derudover består af en enkelt bølgelængde, har vi en lineært polariseret monokromatisk stråle.

Materialer, der fungerer som filtre for at opnå dette, kaldes polarisatorer eller analysatorer. Og der er stoffer, der reagerer på polariseret lys, der roterer polarisationsplanet. De er kendt som optisk aktive stoffer, for eksempel sukker.

Typer af polarimeter

Generelt kan polarimetre være: manuel, automatisk og halvautomatisk og digital.

Manualer

Manuelle polarimetre bruges i undervisningslaboratorier og små laboratorier, mens automatiske dem foretrækkes, når der kræves et stort antal målinger, da de minimerer tiden til måling.

Automatisk og digital

De automatiske og digitale modeller leveres med en fotoelektrisk detektor, en sensor, der udsender et svar på lysskiftet og øger målingernes præcision kraftigt. Der er også dem, der tilbyder læsning på en digital skærm, hvilket er meget let at betjene.

For at illustrere den generelle funktion af et polarimeter er en manuel optisk type beskrevet nedenfor.

Betjening og dele

Et grundlæggende polarimeter bruger to Nicol-prismer eller polaroidplader, i hvilke det optisk aktive stof, der skal analyseres, befinder sig.

William Nicol (1768-1851) var en skotsk fysiker, der afsatte meget af sin karriere til instrumentering. Ved hjælp af en krystal af kalsit eller Island-spar, et mineral, der er i stand til at splitte en indfaldende lysstråle, skabte Nicol i 1828 et prisme, hvormed der kunne opnås polariseret lys. Det blev meget brugt til konstruktion af polarimetre.

Figur 4. Rødbrydende calcitekrystall. Kilde: Wikimedia Commons. APN MJM.

De vigtigste dele af et polarimeter er:

- Lyskilden. Generelt en natrium-, wolfram- eller kviksølvdamplampe, hvis bølgelængde er kendt.

- Polarisatorer. Ældre modeller brugte Nicol prismer, mens mere moderne modeller normalt bruger polaroidplader, der er lavet af langkædede carbonhydridmolekyler med jodatomer.

- En prøveholder. Hvor det stof, der skal analyseres, placeres, hvis længde er variabel, men nøjagtigt kendt.

- Et okular og indikatorer forsynet med vernier skalaer. For at observatøren nøjagtigt måler prøveens rotationskraft. Automatiske modeller har fotoelektriske sensorer.

- Derudover temperatur- og bølgelængdeindikatorer. Da rotationseffekten for mange stoffer afhænger af disse parametre.

Figur 5. Skema med et manuelt polarimeter. Kilde: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

I den beskrevne procedure er der en lille ulempe, når observatøren justerer minimumslyset, da det menneskelige øje ikke er i stand til at detektere meget små variationer i lysstyrke.

For at afhjælpe dette problem tilføjer Laurent-polarimeteret en halvbølgelængdehæmmende halvplade, der er lavet af birefringent materiale.

På denne måde har observatøren to eller tre tilstødende regioner med forskellig lysstyrke, kaldet felter, i seeren. Dette gør det lettere for øjet at skelne mellem lysniveauer.

Du har den mest nøjagtige måling, når analysatoren drejes på en sådan måde, at alle felter er lige svage.

Figur 6. Manuel læsning af polarimeteret. Kilde: F. Zapata.

Biot's Law

Biot's lov vedrører rotationsstyrken a for et optisk aktivt stof, målt i sexagesimale grader, med koncentrationen c af nævnte stof - når det er en løsning- og geometrien i det optiske system.

Dette er grunden til, at der blev lagt vægt på beskrivelsen af ​​polarimeteret, at bølgelængdeværdierne for lyset og prøven blev indeholdt.

Proportionalitetskonstanten betegnes og kaldes løsningens specifikke rotationskraft. Det afhænger af bølgelængden λ for det indfaldende lys og temperaturen T for prøven. Værdierne af tabelleres normalt ved 20 ° C specifikt for natriumlys, hvis bølgelængde er 589,3 nm.

Afhængig af typen af ​​forbindelse, der skal analyseres, tager Biot's lov forskellige former:

- Optisk aktive faste stoffer: α =.ℓ

- Rene væsker: α =. ℓ.ρ

- Opløsninger med opløste stoffer, der har optisk aktivitet: α =. ℓ.c

- Prøver med flere optisk aktive komponenter: ∑α _i

Med følgende yderligere mængder og deres enheder:

- Prøveholderens længde: ℓ (i mm for faste stoffer og dm for væsker)

- Væskedensitet: ρ (i g / ml)

- Koncentration: c (i g / ml eller molaritet)

Fordele og ulemper

Polarimetre er meget nyttige laboratorieinstrumenter i forskellige områder, og hver type polarimeter har fordele i henhold til dets tilsigtede anvendelse.

En stor fordel ved selve teknikken er, at det er en ikke-destruktiv test, der er passende ved analyse af dyre, værdifulde prøver, eller som af en eller anden grund ikke kan duplikeres. Polarimetri er dog ikke anvendelig på noget stof, kun for dem, der har optisk aktivitet eller chirale stoffer, som de også er kendt.

Det er også nødvendigt at overveje, at tilstedeværelsen af ​​urenheder indfører fejl i resultaterne.

Rotationsvinklen produceret af det analyserede stof er i overensstemmelse med dets egenskaber: molekyltypen, koncentrationen af ​​opløsningen og endda det anvendte opløsningsmiddel. For at få alle disse data er det nødvendigt at vide nøjagtigt bølgelængden af ​​det anvendte lys, temperaturen og længden af ​​prøveholderbeholderen.

Præcisionen, som du vil analysere prøven med, er afgørende, når du vælger et passende udstyr. Og dets omkostninger også.

Fordele og ulemper ved det manuelle polarimeter

- De har en tendens til at være billigere, selvom der også findes billige digitalversioner. Hvad angår dette er der en masse tilbud.

- De er velegnede til brug i undervisningslaboratorier og som træning, fordi de hjælper operatøren med at gøre sig bekendt med de teoretiske og praktiske aspekter af teknikken.

- Det er næsten altid lav vedligeholdelse.

- De er resistente og holdbare.

- Læsning af målingen er lidt mere besværlig, især hvis det stof, der skal analyseres, har lav rotationskraft, derfor er operatøren normalt specialiseret personale.

Fordele og ulemper ved automatiske og digitale polarimetre

- De er lette at håndtere og læse, de har ikke brug for specialiseret personale til deres drift.

- Det digitale polarimeter kan eksportere dataene til printeren eller lagerenheden.

- Automatiske polarimetre kræver mindre målingstid (ca. 1 sekund).

- De har muligheder for at måle med intervaller.

- Den fotoelektriske detektor gør det muligt at analysere stoffer med lav rotationseffekt.

- Effektiv kontrol af temperaturen, den parameter, der mest påvirker målingen.

- Nogle modeller er dyre.

- De kræver vedligeholdelse.

Applikationer

Polarimetry har et stort antal applikationer, som nævnt i starten. Områderne er forskellige, og forbindelserne, der skal analyseres, kan også være organiske og uorganiske. Dette er nogle af dem:

- Ved farmaceutisk kvalitetskontrol, som hjælper med at bestemme, at de stoffer, der anvendes til fremstilling af medicin, har den rette koncentration og renhed.

- Med henblik på kvalitetskontrol af fødevareindustrien, analyse af sukkernes renhed samt indholdet i drikkevarer og slik. Polarimetre, der bruges på denne måde, kaldes også saccharimetre og bruger en bestemt skala, der er forskellig fra den, der bruges i andre anvendelser: ºZ-skalaen.

Figur 7. Kvalitetskontrol af sukkerindholdet i vin og frugtsaft udføres ved polarimetri. Kilde: Pixabay.

- Også inden for fødevareteknologi bruges det til at finde stivelsesindholdet i en prøve.

- I astrofysik bruges polarimetri til at analysere polarisering af lys i stjerner og til at studere de magnetiske felter, der findes i astronomiske miljøer, og deres rolle i stjernedynamik.

- Polarimetri er nyttigt til påvisning af øjensygdomme.

- I fjernbetjeningsapparater til satellit til observation af skibe i det høje hav, områder med forurening midt i havet eller på land, takket være optagelse af billeder med høj kontrast.

- Den kemiske industri bruger polarimetri til at skelne mellem optiske isomerer. Disse stoffer har identiske kemiske egenskaber, da deres molekyler har den samme sammensætning og struktur, men det ene er et spejlbillede af det andet.

Optiske isomerer adskiller sig fra den måde, de polariserer lys på (enantiomerer): den ene isomer gør det til venstre (venstrehåndet) og den anden til højre (højrehåndet), altid set fra observatørens synspunkt.

1. AGS Analytisk. Hvad er et polarimeter til? Gendannes fra: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Kemi. 2013. Ellevte udgave. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Gendannes fra: triplenlace.com.
4. Videnskabelige instrumenter. Polarimetre. Gendannes fra: uv.es.
5. Det polytekniske universitet i Valencia. Anvendelse af polarimetri til

   bestemmelse af sukkers renhed. Gendannes fra: riunet.upv.es.