ПОЛЯРИМЕТРІЯ: ОБГРУНТУВАННЯ, ТИПИ, ЗАСТОСУВАННЯ, ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ - ХІМІЯ - 2025

Поляриметрія вимірює обертання поляризованого пучка світла проходить , коли він проходить через оптично активну речовину , яка може бути стакан (наприклад , турмалін) або розчином цукру.

Це проста техніка, що належить до оптичних методів аналізу та з численними застосуваннями, особливо в хімічній та агропродовольчій промисловості, для визначення концентрації цукристих розчинів.

Малюнок 1. Цифровий автоматичний поляриметр. Джерело: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Основа

Фізична основа цієї методики полягає у властивості світла як електромагнітної хвилі, що складається з електричного та магнітного поля, що рухаються у взаємно перпендикулярних напрямках.

Електромагнітні хвилі є поперечними, це означає, що ці поля, у свою чергу, поширюються у напрямку, перпендикулярному до них, згідно з фіг.2.

Однак оскільки поле складається з численних хвиль поїздів, що надходять від кожного атома, і кожен коливається в різних напрямках, природне світло або світло, що виходить від лампи розжарювання, не поляризоване.

Навпаки, коли коливання поля відбуваються у переважній стороні, то, як кажуть, світло поляризоване. Цього можна досягти, пропускаючи світловий промінь через певні речовини, здатні блокувати небажані компоненти і дозволяти пройти лише одному.

Малюнок 2. Анімація електромагнітного поля, що поширюється вздовж осі x. Джерело: Wikimedia Commons. І1му.

Якщо крім цього світлова хвиля складається з однієї довжини хвилі, ми маємо лінійно поляризований монохроматичний промінь.

Матеріали, які виконують роль фільтрів для цього, називаються поляризаторами або аналізаторами. А є речовини, які реагують на поляризоване світло, обертаючи площину поляризації. Вони відомі як оптично активні речовини, наприклад цукри.

Види поляриметра

Загалом, поляриметри можуть бути: ручними, автоматичними та напівавтоматичними та цифровими.

Посібники

Ручні поляриметри використовуються в навчальних лабораторіях та малих лабораторіях, тоді як автоматичні - переважніше, коли потрібна велика кількість вимірювань, оскільки вони мінімізують час, витрачений на вимірювання.

Автоматичне та цифрове

Автоматичні та цифрові моделі оснащені фотоелектричним детектором, датчиком, який випромінює реакцію на зміну світла і значно підвищує точність вимірювань. Є й такі, які пропонують читання на цифровому екрані, будучи дуже простим в експлуатації.

Для ілюстрації загальної роботи поляриметра нижче описаний ручний оптичний тип.

Експлуатація та деталі

Основний поляриметр використовує дві ніколеві призми або поляроїдні листи, між якими розміщена оптично активна речовина, що аналізується.

Вільям Нікол (1768-1851) був шотландським фізиком, який більшу частину своєї кар'єри присвятив інструментації. Використовуючи кристал кальциту або ісландський шпат, мінерал, здатний розщеплювати падаючий промінь світла, Нікол створив у 1828 р. Призму, з якою можна було отримати поляризоване світло. Він широко використовувався при будівництві поляриметрів.

Малюнок 4. Бірефрінгентний кристал кальциту. Джерело: Wikimedia Commons. APN MJM.

Основними частинами поляриметра є:

- Джерело світла. Як правило, натрієва, вольфрамова або ртутна лампа пари, довжина хвилі якої відома.

- Поляризатори. У старих моделях використовувались ніколеві призми, тоді як більш сучасні зазвичай використовують поляроїдні листи, виготовлені з довголанцюгових молекул вуглеводнів з атомами йоду.

- Власник зразка. Де розміщена речовина, що підлягає аналізу, довжина якої мінлива, але точно відомо.

- Окуляр та індикатори, забезпечені шкалами верні. Щоб спостерігач точно міряв силу обертання зразка. Автоматичні моделі мають фотоелектричні датчики.

- Додатково показники температури та довжини хвилі. Оскільки потужність обертання багатьох речовин залежить від цих параметрів.

Малюнок 5. Схема ручного поляриметра. Джерело: Чанг, Р. Хімія.

Лоран Поляриметр

В описаній процедурі є невеликий недолік, коли спостерігач регулює мінімум світла, оскільки людське око не в змозі виявити дуже невеликі коливання освітленості.

Щоб вирішити цю проблему, поляриметр Лорана додає напівхвилю, що затримує довгу хвилю, виготовлену з двоповерхового матеріалу.

Таким чином спостерігач має у глядачі дві або три сусідні області різної світності, звані полями. Це полегшує оку розрізнення рівнів світла.

У вас найбільш точне вимірювання, коли аналізатор повернутий таким чином, що всі поля однаково тьмяні.

Малюнок 6. Ручне зчитування поляриметра. Джерело: Ф. Сапата.

Закон Біота

Закон Біота пов'язує потужність обертання α оптично активної речовини, виміряну в статевих значеннях, з концентрацією c цієї речовини - коли це рішення - та геометрією оптичної системи.

Ось чому акцент робився в описі поляриметра, що значення довжини хвилі світла та власника зразка повинні бути відомі.

Постійну пропорційність позначають і називають питомою силою обертання розчину. Це залежить від довжини хвилі λ падаючого світла і температури T зразка. Значення, як правило, розраховуються при 20 ° С для натрієвого світла, конкретно, довжина хвилі яких становить 589,3 нм.

Залежно від типу сполуки, що підлягає аналізу, закон Біота приймає різні форми:

- Оптично активні тверді речовини: α = .ℓ

- Чисті рідини: α =. ℓ.ρ

- Розчини з розчинниками, що мають оптичну активність: α =. ℓ.c

- зразки з кількома оптично активними компонентами: ∑α _i

З наступними додатковими кількостями та їх одиницями:

- Довжина тримача для зразка: ℓ (у мм для твердих тіл та dm для рідин)

- Густина рідин: ρ (у г / мл)

- Концентрація: c (в г / мл або молярність)

Переваги і недоліки

Поляриметри - це дуже корисні лабораторні прилади в різних областях, і кожен тип поляриметра має переваги відповідно до призначення.

Великою перевагою самої методики є те, що це неруйнівний тест, доцільний при аналізі дорогих цінних зразків або те, що з якихось причин неможливо дублювати. Однак поляриметрія не застосовується до жодної речовини, лише до тих, що мають оптичну активність або хіральних речовин, як вони також відомі.

Необхідно також врахувати, що наявність домішок вносить помилки в результати.

Кут повороту, що виробляється аналізованою речовиною, відповідає його характеристикам: типу молекули, концентрації розчину і навіть використовуваному розчиннику. Для отримання всіх цих даних необхідно точно знати довжину хвилі використовуваного світла, температуру та довжину ємності для тримача зразків.

Точність, з якою ви хочете проаналізувати зразок, є визначальною при виборі відповідного обладнання. І його вартість теж.

Переваги та недоліки ручного поляриметра

- Вони, як правило, дешевші, хоча є і дешеві цифрові версії. Щодо цього є багато пропозицій.

- Вони придатні для використання у навчальних лабораторіях і як навчальні, оскільки допомагають оператору ознайомитися з теоретичними та практичними аспектами методики.

- Вони майже завжди мають низьке обслуговування.

- Вони стійкі та довговічні.

- Зчитування вимірювань трохи більш трудомістке, особливо якщо речовина, що аналізується, має низьку потужність обертання, тому оператор, як правило, спеціалізований персонал.

Переваги та недоліки автоматичних та цифрових поляриметрів

- З ними легко обробляти та читати, для їх роботи не потрібен спеціалізований персонал.

- Цифровий поляриметр може експортувати дані до принтера або пристрою зберігання даних.

- Автоматичні поляриметри вимагають меншого часу вимірювання (близько 1 секунди).

- У них є варіанти вимірювання за інтервалами.

- Фотоелектричний детектор дозволяє аналізувати речовини з низькою потужністю обертання.

- Ефективно контролюйте температуру, параметр, який найбільше впливає на вимірювання.

- Деякі моделі дорогі.

- Вони потребують технічного обслуговування.

Програми

Поляриметрія має велику кількість застосувань, про що говорилося на початку. Області різноманітні, і сполуки, що підлягають аналізу, можуть бути також органічними та неорганічними. Ось деякі з них:

- у фармацевтичному контролі якості, допомагаючи визначити, що речовини, що використовуються у виробництві лікарських засобів, мають відповідну концентрацію та чистоту.

- для контролю якості харчової промисловості, аналізу чистоти цукру, а також його вмісту в напоях та солодощах. Поляриметри, використовувані таким чином, також називаються сахариметрами і використовують певну шкалу, відмінну від тієї, що використовується в інших програмах: ºZ-шкалу.

Рисунок 7. Контроль якості вмісту цукру у винах і фруктових соках здійснюється за допомогою поляриметрії. Джерело: Pixabay.

- Також у харчовій технології використовується для пошуку вмісту крохмалю в пробі.

- В астрофізиці поляриметрія використовується для аналізу поляризації світла в зірках та для вивчення магнітних полів, наявних в астрономічних середовищах, та їх ролі у зоряній динаміці.

- Поляриметрія корисна при виявленні захворювань очей.

- у супутникових пристроях дистанційного зондування для спостереження за кораблями у відкритому морі, районах забруднення посеред океану або на суші, завдяки фотографуванню з високим контрастом.

- Хімічна промисловість використовує поляриметрію для розрізнення оптичних ізомерів. Ці речовини мають однакові хімічні властивості, оскільки їх молекули мають однаковий склад і структуру, але одна є дзеркальним зображенням іншої.

Оптичні ізомери відрізняються тим, як вони поляризують світло (енантіомери): один ізомер робить це ліворуч (ліворуч), а другий праворуч (праворуч), завжди з точки зору спостерігача.

1. AGS Analytical. Що таке поляриметр? Відновлено з: agsanalitica.com.
2. Чанг, Р. Хімія. 2013. Одинадцяте видання. McGraw Hill.
3. Гавіра, Й. Поляріметрія. Відновлено з: triplenlace.com.
4. Наукові інструменти. Поляриметри. Відновлено: uv.es.
5. Політехнічний університет Валенсії. Застосування поляриметрії для
   визначення чистоти цукру. Відновлено з: riunet.upv.es.