POLARIMETRI: SKÄL, TYPER, TILLÄMPNINGAR, FÖRDELAR OCH NACKDELAR - KEMI - 2026

Den polarimetri mäter rotationen av ett polariserade ljusstrålen undergår när den passerar genom en optiskt aktiv substans, som kan vara ett glas (t ex turmalin) eller en sockerlösning.

Det är en enkel teknik som tillhör de optiska analysmetoderna och med många tillämpningar, särskilt inom den kemiska och livsmedelsindustrin för att bestämma koncentrationen av sockerhaltiga lösningar.

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

Grund

Den fysiska grunden för denna teknik ligger i egenskaperna hos ljus som en elektromagnetisk våg, bestående av ett elektriskt och ett magnetfält som rör sig i inbördes vinkelräta riktningar.

Elektromagnetiska vågor är tvärgående, vilket innebär att dessa fält i sin tur sprider sig i riktningen vinkelrätt mot dem, enligt figur 2.

Eftersom fältet består av många vågtåg som kommer från varje atom, och var och en svänger i olika riktningar, är naturligt ljus eller det som kommer från en glödlampa inte polariserat.

Däremot, när svängningarna i fältet inträffar i en preferensriktning, sägs ljuset vara polariserat. Detta kan uppnås genom att låta ljusstrålen passera genom vissa ämnen som kan blockera oönskade komponenter och låta endast en speciellt passera igenom.

Bild 2. Animering av ett elektromagnetiskt fält som sprider sig längs x-axeln. Källa: Wikimedia Commons. And1mu.

Om ljusvågen dessutom består av en enda våglängd, har vi en linjärt polariserad monokromatisk stråle.

Material som fungerar som filter för att åstadkomma detta kallas polarisatorer eller analysatorer. Och det finns ämnen som svarar på polariserat ljus, som roterar polarisationsplanet. De är kända som optiskt aktiva ämnen, till exempel sockerarter.

Typer av polarimeter

Generellt sett kan polarimeter vara: manuell, automatisk och halvautomatisk och digital.

handböcker

Manuella polarimetrar används i lärande laboratorier och små laboratorier, medan automatiska sådana föredras när ett stort antal mätningar krävs, eftersom de minimerar tiden för mätningen.

Automatisk och digital

De automatiska och digitala modellerna har en fotoelektrisk detektor, en sensor som avger ett svar på ljusförändringen och ökar mätnoggrannheten kraftigt. Det finns också de som erbjuder läsning på en digital skärm, som är väldigt lätt att använda.

För att illustrera den allmänna driften av en polarimeter beskrivs en manuell optisk typ nedan.

Drift och delar

En grundläggande polarimeter använder två Nicol prismor eller polaroidark, i vilka den optiskt aktiva substansen som ska analyseras finns.

William Nicol (1768-1851) var en skotsk fysiker som ägnade mycket av sin karriär till instrumentering. Med hjälp av en kristall av kalcit eller Island spar, ett mineral som kan dela en infallande ljusstråle, skapade Nicol 1828 ett prisma med vilket polariserat ljus kunde erhållas. Det användes allmänt vid konstruktion av polarimetrar.

Figur 4. Birfringent kalcitkristall. Källa: Wikimedia Commons. APN MJM.

Huvuddelen av en polarimeter är:

- Ljuskällan. I allmänhet en natrium-, volfram- eller kvicksilverånglampa vars våglängd är känd.

- Polarisatorer. Äldre modeller använde Nicol-prismer, medan mer moderna använder vanligtvis polaroidark, tillverkade av långkedjiga kolväte-molekyler med jodatomer.

- En provhållare. Där ämnet som ska analyseras placeras, vars längd är varierande, men exakt känt.

- Ett okular och indikatorer med vernierande skalor. För att observatören ska mäta provets rotationskraft exakt. Automatiska modeller har fotoelektriska sensorer.

- Dessutom temperatur- och våglängdsindikatorer. Eftersom rotationseffekten för många ämnen beror på dessa parametrar.

Bild 5. Schema för en manuell polarimeter. Källa: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

I det beskrivna förfarandet finns det en liten olägenhet när observatören justerar minsta ljus, eftersom det mänskliga ögat inte kan upptäcka mycket små variationer i ljusstyrka.

För att avhjälpa detta problem lägger Laurent-polarimetern till en halv våglängdsfördröjande halvskiva, gjord av dubbelringande material.

På detta sätt har observatören två eller tre angränsande områden med olika ljusstyrka, kallade fält, i betraktaren. Detta gör det lättare för ögat att skilja ljusnivåer.

Du har den mest exakta mätningen när analysatorn vrids på ett sådant sätt att alla fält är lika svaga.

Bild 6. Manuell avläsning av polarimetern. Källa: F. Zapata.

Biot's Law

Biot's lag relaterar rotationseffekten a för en optiskt aktiv substans, mätt i sexagesimala grader, med koncentrationen c av nämnda ämne - när det är en lösning- och geometri för det optiska systemet.

Därför betonades polarimeterns beskrivning, att ljusets våglängdsvärden och provhållaren måste vara kända.

Proportionalitetskonstanten betecknas och kallas lösningens specifika rotationskraft. Det beror på våglängden λ för det infallande ljuset och provets temperatur T. Värdena för tabelleras vanligtvis vid 20 ° C för natriumljus, specifikt vars våglängd är 589,3 nm.

Beroende på vilken typ av förening som ska analyseras tar Biot's lag olika former:

- Optiskt aktiva fasta ämnen: α = .ℓ

- Rena vätskor: α =. ℓ.ρ

- Lösningar med lösta ämnen med optisk aktivitet: α =. ℓ.c

- Prover med flera optiskt aktiva komponenter: ∑α _i

Med följande ytterligare mängder och deras enheter:

- Provhållarens längd: ℓ (i mm för fasta ämnen och dm för vätskor)

- Vätskans täthet: ρ (i g / ml)

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

Fördelar och nackdelar

Polarimetrar är mycket användbara laboratorieinstrument inom olika områden och varje typ av polarimeter har fördelar enligt dess avsedda användning.

En stor fördel med själva tekniken är att det är ett icke-förstörande test, lämpligt vid analys av dyra, värdefulla prover eller som av någon anledning inte kan dupliceras. Polarimetri är emellertid inte tillämplig på något ämne, bara för de som har optisk aktivitet eller kirala substanser, som de också är kända.

Det är också nödvändigt att tänka på att närvaron av föroreningar leder till fel i resultaten.

Rotationsvinkeln som produceras av det analyserade ämnet överensstämmer med dess egenskaper: typen av molekyl, koncentrationen av lösningen och till och med det använda lösningsmedlet. För att få alla dessa data är det nödvändigt att veta exakt våglängden för det använda ljuset, temperaturen och längden på provhållarbehållaren.

Precisionen som du vill analysera provet är avgörande när du väljer lämplig utrustning. Och dess kostnad också.

Fördelar och nackdelar med den manuella polarimetern

- De brukar vara billigare, även om det finns billiga digitala versioner också. När det gäller detta finns det mycket att erbjuda.

- De är lämpliga för användning i undervisningslaboratorier och som utbildning, eftersom de hjälper operatören att bekanta sig med de teoretiska och praktiska aspekterna av tekniken.

- De är nästan alltid lågt underhåll.

- De är resistenta och hållbara.

- Att läsa mätningen är lite mer besvärande, särskilt om ämnet som ska analyseras har låg rotationseffekt, därför är operatören vanligtvis specialiserad personal.

Fördelar och nackdelar med automatiska och digitala polarimetrar

- De är lätta att hantera och läsa, de behöver inte specialiserad personal för sin drift.

- Den digitala polarimetern kan exportera data till skrivaren eller lagringsenheten.

- Automatiska polarimetrar kräver mindre mättid (cirka 1 sekund).

- De har alternativ att mäta med intervaller.

- Den fotoelektriska detektorn gör det möjligt att analysera ämnen med låg rotationseffekt.

- Kontrollera temperaturen effektivt, den parameter som påverkar mätningen mest.

- Vissa modeller är dyra.

- De kräver underhåll.

tillämpningar

Polarimetry har ett stort antal applikationer, som nämndes i början. Områdena är olika och föreningarna som ska analyseras kan vara organiska och oorganiska också. Dessa är några av dem:

- I farmaceutisk kvalitetskontroll, som hjälper till att fastställa att ämnena som används vid tillverkning av läkemedel har lämplig koncentration och renhet.

- För livsmedelsindustrins kvalitetskontroll, analys av sockerens renhet samt dess innehåll i drycker och godis. Polarimetrar som används på detta sätt kallas också sackarimeter och använder en viss skala, annorlunda än den som används i andra applikationer: ºZ-skalan.

Bild 7. Kvalitetskontrollen av sockerinnehållet i viner och fruktjuicer utförs med polarimetri. Källa: Pixabay.

- Även inom livsmedelsteknik används det för att hitta stärkelsinnehållet i ett prov.

- I astrofysik används polarimetri för att analysera polarisering av ljus i stjärnor och för att studera magnetfält som finns i astronomiska miljöer och deras roll i stjärndynamiken.

- Polarimetri är användbart för att upptäcka ögonsjukdomar.

- I fjärranalysapparater för satellit för observation av fartyg i det stora havet, föroreningar i mitten av havet eller på land, tack vare att du tar bilder med hög kontrast.

- Den kemiska industrin använder polarimetri för att skilja mellan optiska isomerer. Dessa ämnen har identiska kemiska egenskaper, eftersom deras molekyler har samma sammansättning och struktur, men den ena är en spegelbild av den andra.

Optiska isomerer skiljer sig åt på det sätt som de polariserar ljus (enantiomerer): en isomer gör det till vänster (vänsterhänt) och den andra till höger (högerhänt), alltid från observatörens synvinkel.

1. AGS Analytisk. Vad är en polarimeter för? Återställd från: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chemistry. 2013. Elfte upplagan. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Återställd från: triplenlace.com.
4. Vetenskapliga instrument. Polarimetrar. Återställd från: uv.es.
5. Polytechnic University of Valencia. Användning av polarimetri för att
   bestämma renheten hos ett socker. Återställd från: riunet.upv.es.