ПОЛЯРИМЕТРИЯ: ОБОСНОВКА, ВИДОВЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРЕДИМСТВА И НЕДОСТАТЪЦИ - ХИМИЯ - 2026

В поляриметрия измерва въртенето на поляризиран светлинен сноп се подлага когато тя преминава през оптично активно вещество, което може да бъде стъкло (например турмалин) или захарен разтвор.

Това е проста техника, принадлежаща към оптичните методи за анализ и с многобройни приложения, особено в химическата и хранително-вкусовата промишленост за определяне на концентрацията на захарни разтвори.

Фигура 1. Цифров автоматичен поляриметър. Източник: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,

основа

Физическата основа на тази техника се намира в свойствата на светлината като електромагнитна вълна, състояща се от електрическо и магнитно поле, движещо се в взаимно перпендикулярни посоки.

Електромагнитните вълни са напречни, което означава, че тези полета от своя страна се разпространяват в посока, перпендикулярна на тях, съгласно фигура 2.

Тъй като обаче полето е съставено от множество вълнови влакове, които идват от всеки атом, и всеки от тях се колебае в различни посоки, естествената светлина или тази, която идва от нажежаема крушка, не е поляризирана.

За разлика от това, когато трептенията на полето възникват в преференциална посока, се казва, че светлината е поляризирана. Това може да се постигне чрез пропускане на светлинния лъч през определени вещества, които могат да блокират нежеланите компоненти и да позволят на преминаване само през един.

Фигура 2. Анимация на електромагнитно поле, разпространяващо се по оста x. Източник: Wikimedia Commons. And1mu.

Ако в допълнение светлинната вълна се състои от една дължина на вълната, ние имаме линеен поляризиран монохроматичен лъч.

Материалите, които действат като филтри за постигането на това, се наричат ​​поляризатори или анализатори. И има вещества, които реагират на поляризирана светлина, въртяща равнината на поляризация. Те са известни като оптично активни вещества, например захари.

Видове поляриметър

По принцип поляриметрите могат да бъдат: ръчни, автоматични и полуавтоматични и цифрови.

Ръководства

Ръчните поляриметри се използват в учебни лаборатории и малки лаборатории, докато автоматичните се предпочитат, когато се изисква голям брой измервания, тъй като намаляват до минимум времето, прекарано за измерване.

Автоматично и цифрово

Автоматичните и цифрови модели се предлагат с фотоелектрически детектор, сензор, който излъчва отговор на промяната на светлината и значително повишава точността на измерванията. Има и такива, които предлагат четене на цифров екран, като са много лесни за работа.

За да се илюстрира общата работа на поляриметър, по-долу е описан ръчен оптичен тип.

Работа и части

Основен поляриметър използва две николови призми или поляроидни листове, между които се намира оптично активното вещество, което ще се анализира.

Уилям Никол (1768-1851) е шотландски физик, който посвещава голяма част от кариерата си на инструментариума. Използвайки кристал от калцит или исландски спар, минерал, способен да разцепи падащ светлинен лъч, Никол създаде през 1828 г. призма, с която може да се получи поляризирана светлина. Той се използва широко при изграждането на поляриметри.

Фигура 4. Бирефригентен кристал от калцит. Източник: Wikimedia Commons. APN MJM.

Основните части на поляриметъра са:

- източникът на светлина. Обикновено натриева, волфрамова или живачна лампа, чиято дължина на вълната е известна.

- Поляризатори. По-старите модели са използвали николови призми, докато по-съвременните обикновено използват поляроидни листове, изработени от дълговерижни въглеводородни молекули с йодни атоми.

- Притежател на проба. Където се поставя веществото за анализ, чиято дължина е променлива, но точно известна.

- Окуляр и индикатори, снабдени с везни от везни. За да може наблюдателят точно да измери силата на въртене на пробата. Автоматичните модели имат фотоелектрични сензори.

- Освен това, индикатори за температура и дължина на вълната. Тъй като силата на въртене на много вещества зависи от тези параметри.

Фигура 5. Схема на ръчен поляриметър. Източник: Чанг, Р. Химия.

Лоран Полариметър

В описаната процедура има малко неудобство, когато наблюдателят регулира минимума на светлината, тъй като човешкото око не е в състояние да открие много малки изменения в светимостта.

За да коригира този проблем, поляриметърът на Лоран добавя полу-лист, забавящ дължината на вълната, полу-лист, направен от двупреломлив материал.

По този начин наблюдателят има два или три съседни области с различна светимост, наречени полета, в зрителя. Това улеснява окото да различава нивата на светлина.

Имате най-точното измерване, когато анализаторът е обърнат по такъв начин, че всички полета са еднакво затъмнени.

Фигура 6. Ръчно отчитане на поляриметъра. Източник: Ф. Сапата.

Закон на Био

Законът на Биот свързва въртящата се мощност α на оптично активно вещество, измерена в полови степени, с концентрацията c на споменатото вещество - когато то е решение - и геометрията на оптичната система.

Ето защо акцентът беше поставен в описанието на поляриметъра, че трябва да бъдат известни стойностите на дължината на вълната на светлината и тази на притежателя на пробата.

Константата на пропорционалност се обозначава и се нарича специфичната сила на въртене на разтвора. Зависи от дължината на вълната λ на падащата светлина и температурата Т на пробата. Стойностите на обикновено се таблизират при 20 ° C за натриева светлина, по-специално чиято дължина на вълната е 589,3 nm.

В зависимост от вида на съединението, което трябва да се анализира, законът на Биот приема различни форми:

- Оптично активни твърди вещества: α =.ℓ

- Чисти течности: α =. ℓ.ρ

- Разтвори с разтвори, които имат оптична активност: α =. ℓ.c

- Проби с няколко оптично активни компонента: ∑α _i

Със следните допълнителни количества и техните единици:

- Дължина на държача за проба: ℓ (в mm за твърди частици и dm за течности)

- Плътност на течностите: ρ (в g / ml)

- Концентрация: c (в g / ml или моларност)

Предимства и недостатъци

Поляриметрите са много полезни лабораторни инструменти в различни области и всеки тип поляриметър има предимства според предназначението си.

Голямо предимство на самата техника е, че е неразрушителен тест, подходящ при анализиране на скъпи, ценни проби или по някаква причина не може да бъде дублиран. Поляриметрията обаче не е приложима за никое вещество, само за онези, които имат оптична активност или хирални вещества, тъй като те също са известни.

Необходимо е също така да се вземе предвид, че наличието на примеси въвежда грешки в резултатите.

Ъгълът на въртене, произведен от анализираното вещество, е в съответствие с неговите характеристики: вида на молекулата, концентрацията на разтвора и дори използвания разтворител. За да се получат всички тези данни, е необходимо да се знае точно дължината на вълната на използваната светлина, температурата и дължината на контейнера за държача на пробата.

Прецизността, с която искате да анализирате пробата, е определяща при избора на подходящо оборудване. И цената му също.

Предимства и недостатъци на ръчния поляриметър

- Те обикновено са по-евтини, въпреки че има и евтини цифрови версии. Що се отнася до това, има много оферта.

- Подходящи са за използване в учебни лаборатории и като обучение, защото помагат на оператора да се запознае с теоретичните и практическите аспекти на техниката.

- Почти винаги са с ниска поддръжка.

- Те са устойчиви и издръжливи.

- Отчитането на измерването е малко по-трудоемко, особено ако веществото, което ще се анализира, има ниска ротационна мощност, поради което операторът обикновено е специализиран персонал.

Предимства и недостатъци на автоматичните и цифрови поляриметри

- Те са лесни за работа и четене, не изискват специализиран персонал за работата си.

- Цифровият поляриметър може да експортира данните в принтера или устройството за съхранение.

- Автоматичните поляриметри изискват по-малко време за измерване (около 1 секунда).

- Имат опции за измерване чрез интервали.

- Фотоелектричният детектор позволява да се анализират вещества с ниска сила на въртене.

- ефективно контролирайте температурата, параметърът, който най-много влияе върху измерването.

- Някои модели са скъпи.

- Те изискват поддръжка.

Приложения

Поляриметрията има голям брой приложения, както беше споменато в началото. Зоните са разнообразни и съединенията, които ще бъдат анализирани, могат да бъдат и органични, и неорганични. Това са някои от тях:

- При фармацевтичния контрол на качеството, помага да се определи дали веществата, използвани при производството на лекарства, имат съответната концентрация и чистота.

- За контрол на качеството на хранително-вкусовата промишленост, анализ на чистотата на захарта, както и съдържанието му в напитки и сладкиши. Поляриметрите, използвани по този начин, също се наричат ​​захариметри и използват конкретна скала, различна от тази, използвана в други приложения: ºZ скалата.

Фигура 7. Контролът на качеството на съдържанието на захар във вина и плодови сокове се извършва чрез поляриметрия. Източник: Pixabay

- Също така в хранителните технологии се използва за намиране на съдържанието на нишесте в пробата.

- В астрофизиката поляриметрията се използва за анализ на поляризацията на светлината в звездите и за изучаване на магнитните полета, присъстващи в астрономическите среди, и тяхната роля в звездната динамика.

- Полариметрията е полезна при откриване на очни заболявания.

- В сателитни устройства за дистанционно наблюдение за наблюдение на кораби в открито море, зони на замърсяване в средата на океана или на сушата, благодарение на заснемането на изображения с висок контраст.

- Химическата промишленост използва поляриметрия, за да прави разлика между оптичните изомери. Тези вещества имат идентични химични свойства, тъй като техните молекули имат същия състав и структура, но едното е огледален образ на другото.

Оптичните изомери се различават по начина, по който поляризират светлината (енантиомери): единият изомер прави това вляво (ляво ръка), а другият - надясно (дясна ръка), винаги от гледна точка на наблюдателя.

1. AGS Analytical. За какво е поляриметър? Възстановено от: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Химия. 2013. Единадесето издание. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Възстановена от: triplenlace.com.
4. Научни инструменти. Поляриметри. Възстановени от: uv.es.
5. Политехнически университет във Валенсия. Прилагане на поляриметрия за

   определяне чистотата на захарта. Възстановени от: riunet.upv.es.