POLARIMETRI: BEGRUNNELSE, TYPER, ANVENDELSER, FORDELER OG ULEMPER - KJEMI - 2026

Den polarimetri måler dreiningen av en polarisert lysstråle gjennomgår når det passerer gjennom en optisk aktiv substans, som kan være et glass (for eksempel turmalin) eller en sukkerløsning.

Det er en enkel teknikk som tilhører de optiske analysemetodene og med mange anvendelser, spesielt i den kjemiske og agro-matindustrien for å bestemme konsentrasjonen av sukkerholdige løsninger.

Figur 1. Digital automatisk polarimeter. Kilde: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Basis

Det fysiske fundamentet for denne teknikken ligger i egenskapene til lys som en elektromagnetisk bølge, bestående av et elektrisk felt og et magnetfelt som beveger seg i innbyrdes vinkelrett retning.

Elektromagnetiske bølger er tverrgående, noe som betyr at disse feltene på sin side forplanter seg i retningen vinkelrett på dem, i følge figur 2.

Men siden feltet består av mange bølgetog som kommer fra hvert atom, og hver og en svinger i forskjellige retninger, er ikke naturlig lys eller det som kommer fra en glødepære, polarisert.

I kontrast, når svingningene i feltet skjer i en foretrukket retning, sies lyset å være polarisert. Dette kan oppnås ved å la lysstrålen passere gjennom visse stoffer som er i stand til å blokkere uønskede komponenter og bare tillate en særlig å passere gjennom.

Figur 2. Animasjon av et elektromagnetisk felt som forplanter seg langs x-aksen. Kilde: Wikimedia Commons. And1mu.

Hvis lysbølgen i tillegg består av en enkelt bølgelengde, har vi en lineært polarisert monokromatisk stråle.

Materialer som fungerer som filtre for å oppnå dette kalles polarisatorer eller analysatorer. Og det er stoffer som reagerer på polarisert lys, som roterer polarisasjonsplanet. De er kjent som optisk aktive stoffer, for eksempel sukker.

Typer polarimeter

Generelt kan polarimeter være: manuell, automatisk og halvautomatisk og digital.

håndbøker

Manuelle polarimetre brukes i undervisningslaboratorier og små laboratorier, mens automatiske må foretrekkes når det er behov for et stort antall målinger, da de minimerer tidsbruken til måling.

Automatisk og digital

De automatiske og digitale modellene har en fotoelektrisk detektor, en sensor som avgir respons på lysskiftet og øker målingens presisjon kraftig. Det er også de som tilbyr lesing på en digital skjerm, og som er veldig enkle å betjene.

For å illustrere den generelle driften av et polarimeter er en manuell optisk type beskrevet nedenfor.

Betjening og deler

Et grunnleggende polarimeter benytter seg av to Nicol prismer eller Polaroid ark, der det optisk aktive stoffet som skal analyseres befinner seg.

William Nicol (1768-1851) var en skotsk fysiker som viet store deler av sin karriere til instrumentering. Ved å bruke en krystall av kalsitt eller Island spar, et mineral som er i stand til å dele en innfallende lysstråle, opprettet Nicol i 1828 et prisme som polarisert lys kunne oppnås med. Det ble mye brukt i konstruksjonen av polarimeter.

Figur 4. Rengjørende kalsittkrystall. Kilde: Wikimedia Commons. APN MJM.

Hoveddelene til et polarimeter er:

- Lyskilden. Vanligvis en natrium-, wolfram- eller kvikksølvdamplampe, hvis bølgelengde er kjent.

- Polarisatorer. Eldre modeller brukte Nicol prismer, mens mer moderne bruker vanligvis polaroidark, laget av langkjedede hydrokarbonmolekyler med jodatomer.

- En prøveholder. Hvor stoffet som skal analyseres plasseres, hvis lengde er varierende, men nøyaktig kjent.

- Et okular og indikatorer utstyrt med vernier skalaer. For at observatøren skal måle prøvens rotasjonskraft nøyaktig. Automatiske modeller har fotoelektriske sensorer.

- I tillegg indikatorer for temperatur og bølgelengde. Siden rotasjonskraften til mange stoffer avhenger av disse parametrene.

Figur 5. Skjema for et manuelt polarimeter. Kilde: Chang, R. Kjemi.

Laurent Polarimeter

I den beskrevne prosedyren er det en liten ulempe når observatøren justerer minimumslys, siden det menneskelige øyet ikke er i stand til å oppdage veldig små variasjoner i lysstyrke.

For å avhjelpe dette problemet, tilfører Laurent polarimeter en halvbølgelengde som er forsinkende, halvark, laget av ildfaste materiale.

På denne måten har observatøren to eller tre tilstøtende regioner med forskjellig lysstyrke, kalt felt, i betrakteren. Dette gjør det lettere for øyet å skille lysnivåer.

Du har den mest nøyaktige målingen når analysatoren dreies på en slik måte at alle felt er like svake.

Figur 6. Manuell avlesning av polarimeteret. Kilde: F. Zapata.

Biot's Law

Biot's lov forholder rotasjonskraften α til et optisk aktivt stoff, målt i sexagesimale grader, med konsentrasjonen c av nevnte stoff - når det er en løsning- og geometrien til det optiske systemet.

Dette var grunnen til at det ble lagt vekt på beskrivelsen av polarimeteret, at bølgelengdeverdiene til lyset og den til prøveholderen måtte være kjent.

Proportionalitetenes konstant betegnes og kalles løsningenes spesifikke rotasjonskraft. Det avhenger av bølgelengden λ til det innfallende lyset og temperaturen T på prøven. Verdiene av er vanligvis tabulert ved 20 ° C for natriumlys, spesielt hvis bølgelengde er 589,3 nm.

Avhengig av hvilken type forbindelse som skal analyseres, tar Biot's lov forskjellige former:

- Optisk aktive faste stoffer: α = .ℓ

- Rene væsker: α =. ℓ.ρ

- Løsninger med oppløste stoffer som har optisk aktivitet: α =. ℓ.c

- Prøver med flere optisk aktive komponenter: ∑α _i

Med følgende tilleggsmengder og deres enheter:

- Lengde på prøveholderen: ℓ (i mm for faste stoffer og dm for væsker)

- Tetthet av væsker: ρ (i g / ml)

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

Fordeler og ulemper

Polarimetre er veldig nyttige laboratorieinstrumenter i forskjellige områder, og hver type polarimeter har fordeler i henhold til den tiltenkte bruken.

En stor fordel med selve teknikken er at det er en ikke-destruktiv test, passende når du analyserer dyre, verdifulle prøver eller som av en eller annen grunn ikke kan dupliseres. Polarimetri er imidlertid ikke aktuelt for noe stoff, bare for de som har optisk aktivitet eller kirale stoffer, som de også er kjent.

Det er også nødvendig å vurdere at tilstedeværelsen av urenheter innfører feil i resultatene.

Rotasjonsvinkelen produsert av det analyserte stoffet er i tråd med dets egenskaper: molekyltypen, konsentrasjonen av løsningen og til og med løsningsmidlet som brukes. For å få alle disse dataene, er det nødvendig å vite nøyaktig bølgelengden til lyset som brukes, temperaturen og lengden på prøveholderbeholderen.

Presisjonen du vil analysere prøven med er avgjørende når du skal velge et passende utstyr. Og kostnadene det også.

Fordeler og ulemper med det manuelle polarimeteret

- De har en tendens til å være billigere, selv om det også finnes billige digitalversjoner. Når det gjelder dette er det mye tilbud.

- De er egnet for bruk i undervisningslaboratorier og som trening, fordi de hjelper operatøren til å gjøre seg kjent med de teoretiske og praktiske aspektene ved teknikken.

- De er nesten alltid med lite vedlikehold.

- De er motstandsdyktige og holdbare.

- Å lese målingen er litt mer arbeidskrevende, spesielt hvis stoffet som skal analyseres har lav rotasjonskraft, derfor er operatøren vanligvis spesialisert personell.

Fordeler og ulemper med automatiske og digitale polarimeter

- De er enkle å håndtere og lese, de krever ikke spesialisert personell for driften.

- Det digitale polarimeteret kan eksportere dataene til skriveren eller lagringsenheten.

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

- De har alternativer for å måle med intervaller.

- Den fotoelektriske detektoren gjør det mulig å analysere stoffer med lav rotasjonseffekt.

- Kontroller temperaturen effektivt, den parameteren som påvirker målingen mest.

- Noen modeller er dyre.

- De krever vedlikehold.

applikasjoner

Polarimetry har et stort antall applikasjoner, som nevnt i begynnelsen. Områdene er forskjellige og forbindelsene som skal analyseres, kan være organiske og uorganiske også. Dette er noen av dem:

- I farmasøytisk kvalitetskontroll, som hjelper til med å bestemme at stoffene som brukes i produksjon av medisiner har riktig konsentrasjon og renhet.

- For kvalitetskontroll av næringsmiddelindustrien, analysere sukkernes sukker, samt innholdet i drikkevarer og søtsaker. Polarimetre som brukes på denne måten kalles også sakkarimeter og bruker en bestemt skala, forskjellig fra den som brukes i andre bruksområder: ºZ-skalaen.

Figur 7. Kvalitetskontrollen av sukkerinnholdet i viner og fruktjuicer utføres ved polarimetri. Kilde: Pixabay.

- Også innen matteknologi brukes den til å finne stivelsesinnholdet i en prøve.

- I astrofysikk brukes polarimetri for å analysere polarisering av lys i stjerner og for å studere magnetfeltene som er til stede i astronomiske miljøer og deres rolle i stjernedynamikk.

- Polarimetri er nyttig for å oppdage øyesykdommer.

- I satellittmåleenheter for observasjon av skip i høye hav, forurensningsområder midt i havet eller på land, takket være at du har tatt bilder med høy kontrast.

- Den kjemiske industrien bruker polarimetri for å skille mellom optiske isomerer. Disse stoffene har identiske kjemiske egenskaper, siden molekylene deres har samme sammensetning og struktur, men det ene er et speilbilde av det andre.

Optiske isomerer er forskjellige på måten de polariserer lys (enantiomerer): den ene isomeren gjør det til venstre (venstrehendt) og den andre til høyre (høyrehendt), alltid fra observatørens synspunkt.

1. AGS Analytisk. Hva er et polarimeter for? Gjenopprettet fra: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Kjemi. 2013. Ellevte utgave. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Gjenopprettet fra: triplenlace.com.
4. Vitenskapelige instrumenter. Polarimetre. Gjenopprettet fra: uv.es.
5. Polyteknisk universitet i Valencia. Påføring av polarimetri for å
   bestemme renheten til et sukker. Gjenopprettet fra: riunet.upv.es.