POLARIMETRIE: GRONDGEDACHTE, TYPEN, TOEPASSINGEN, VOOR- EN NADELEN - CHEMIE - 2026

De polarimetrie meet de rotatie die een gepolariseerde lichtbundel ondergaat wanneer deze door een optisch actieve stof gaat die een glas (bijv. Toermalijn) of een suikeroplossing kan zijn.

Het is een eenvoudige techniek die behoort tot de optische analysemethoden en met talrijke toepassingen, vooral in de chemische en agrovoedingsindustrie, om de concentratie van suikerhoudende oplossingen te bepalen.

Figuur 1. Digitale automatische polarimeter. Bron: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Basis

De fysieke basis van deze techniek ligt in de eigenschappen van licht als een elektromagnetische golf, bestaande uit een elektrisch en een magnetisch veld dat in onderling loodrechte richtingen beweegt.

Elektromagnetische golven zijn transversaal, wat betekent dat deze velden zich op hun beurt in de richting loodrecht daarop voortplanten, volgens figuur 2.

Aangezien het veld echter bestaat uit talrijke golftreinen die van elk atoom komen en elk in verschillende richtingen oscilleert, is natuurlijk licht of dat afkomstig van een gloeilamp niet gepolariseerd.

Als daarentegen de trillingen van het veld plaatsvinden in een voorkeursrichting, wordt gezegd dat het licht gepolariseerd is. Dit kan worden bereikt door de lichtstraal door bepaalde stoffen te laten gaan die ongewenste componenten kunnen blokkeren en slechts één in het bijzonder door te laten.

Figuur 2. Animatie van een elektromagnetisch veld dat zich voortplant langs de x-as. Bron: Wikimedia Commons. And1mu.

Als de lichtgolf bovendien uit een enkele golflengte bestaat, hebben we een lineair gepolariseerde monochromatische bundel.

Materialen die als filters dienen om dit te bereiken, worden polarisatoren of analysatoren genoemd. En er zijn stoffen die reageren op gepolariseerd licht en het polarisatievlak roteren. Ze staan ​​bekend als optisch actieve stoffen, bijvoorbeeld suikers.

Soorten polarimeter

Over het algemeen kunnen polarimeters zijn: handmatig, automatisch en halfautomatisch en digitaal.

Handleidingen

Handmatige polarimeters worden gebruikt in onderwijslaboratoria en kleine laboratoria, terwijl automatische polarimeters de voorkeur hebben wanneer een groot aantal metingen nodig is, omdat ze de tijd die aan metingen wordt besteed minimaliseren.

Automatisch en digitaal

De automatische en digitale modellen worden geleverd met een foto-elektrische detector, een sensor die reageert op de verandering van licht en de nauwkeurigheid van de metingen aanzienlijk verhoogt. Er zijn er ook die lezen op een digitaal scherm aanbieden, omdat ze zeer eenvoudig te bedienen zijn.

Om de algemene werking van een polarimeter te illustreren, wordt hieronder een handmatig optisch type beschreven.

Werking en onderdelen

Een basispolarimeter maakt gebruik van twee Nicol-prisma's of polaroidvellen waartussen de te analyseren optisch actieve stof zich bevindt.

William Nicol (1768-1851) was een Schotse natuurkundige die een groot deel van zijn carrière aan instrumentatie wijdde. Met behulp van een kristal van calciet of een IJslandse spar, een mineraal dat een invallende lichtstraal kan splitsen, creëerde Nicol in 1828 een prisma waarmee gepolariseerd licht kon worden verkregen. Het werd veel gebruikt bij de constructie van polarimeters.

Figuur 4. Dubbelbrekend calcietkristal. Bron: Wikimedia Commons. APN MJM.

De belangrijkste onderdelen van een polarimeter zijn:

- De lichtbron. In het algemeen een natrium-, wolfraam- of kwikdamplamp waarvan de golflengte bekend is.

- Polarisatoren. De oudere modellen gebruikten Nicol-prisma's, terwijl de modernere meestal Polaroid-vellen gebruiken, gemaakt van koolwaterstofmoleculen met lange ketens met jodiumatomen.

- Een monsterhouder. Waar de te analyseren stof wordt geplaatst, waarvan de lengte variabel is, maar exact bekend.

- Een oculair en meters voorzien van noniusschalen. Voor de waarnemer om het rotatievermogen van het monster nauwkeurig te meten. Automatische modellen hebben foto-elektrische sensoren.

- Bovendien, temperatuur- en golflengte-indicatoren. Omdat het rotatievermogen van veel stoffen afhankelijk is van deze parameters.

Figuur 5. Schema van een handmatige polarimeter. Bron: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

In de beschreven procedure is er een klein ongemak wanneer de waarnemer het minimum aan licht aanpast, aangezien het menselijk oog niet in staat is om zeer kleine variaties in helderheid te detecteren.

Om dit probleem te verhelpen, voegt de Laurent-polarimeter een halfgolflengte vertragende halfplaat toe, gemaakt van dubbelbrekend materiaal.

Op deze manier heeft de waarnemer twee of drie aangrenzende gebieden met verschillende helderheid, velden genaamd, in de kijker. Dit maakt het voor het oog gemakkelijker om lichtniveaus te onderscheiden.

De meest nauwkeurige meting heb je als de analysator zo wordt gedraaid dat alle velden even donker zijn.

Figuur 6. Handmatig aflezen van de polarimeter. Bron: F. Zapata.

Biot's wet

De wet van Biot relateert het roterend vermogen α van een optisch actieve stof, gemeten in sexagesimale graden, met de concentratie c van die stof - als het een oplossing is - en de geometrie van het optische systeem.

Daarom werd in de beschrijving van de polarimeter de nadruk gelegd, dat de golflengtewaarden van het licht en die van de monsterhouder bekend moesten zijn.

De evenredigheidsconstante wordt aangeduid en het specifieke rotatievermogen van de oplossing genoemd. Het hangt af van de golflengte λ van het invallende licht en de temperatuur T van het monster. De waarden van zijn gewoonlijk getabelleerd bij 20 ° C, specifiek voor natriumlicht, waarvan de golflengte 589,3 nm is.

Afhankelijk van het type verbinding dat moet worden geanalyseerd, neemt de wet van Biot verschillende vormen aan:

- Optisch actieve vaste stoffen: α = .ℓ

- Zuivere vloeistoffen: α =. ℓ.ρ

- Oplossingen met opgeloste stoffen die optische activiteit hebben: α =. ℓ.c

- Monsters met verschillende optisch actieve componenten: ∑α _i

Met de volgende aanvullende hoeveelheden en hun eenheden:

- Lengte van de monsterhouder: ℓ (in mm voor vaste stoffen en dm voor vloeistoffen)

- Dichtheid van vloeistoffen: ρ (in g / ml)

- Concentratie: c (in g / ml of molariteit)

Voor-en nadelen

Polarimeters zijn zeer nuttige laboratoriuminstrumenten op verschillende gebieden en elk type polarimeter heeft voordelen in overeenstemming met het beoogde gebruik.

Een groot voordeel van de techniek zelf is dat het een niet-destructieve test is, geschikt bij het analyseren van dure, waardevolle monsters of die om de een of andere reden niet kan worden gedupliceerd. Polarimetrie is echter op geen enkele stof toepasbaar, alleen op stoffen met optische activiteit of chirale stoffen, zoals ze ook bekend zijn.

Er moet ook rekening mee worden gehouden dat de aanwezigheid van onzuiverheden fouten in de resultaten introduceert.

De rotatiehoek die door de geanalyseerde stof wordt geproduceerd, is in overeenstemming met zijn kenmerken: het type molecuul, de concentratie van de oplossing en zelfs het gebruikte oplosmiddel. Om al deze gegevens te verkrijgen, is het noodzakelijk om exact de golflengte van het gebruikte licht, de temperatuur en de lengte van de monsterhouder te weten.

De precisie waarmee u het monster wilt analyseren, is doorslaggevend bij het kiezen van een geschikte apparatuur. En zijn kosten ook.

Voor- en nadelen van de handmatige polarimeter

- Ze zijn meestal goedkoper, hoewel er ook goedkope digitale versies zijn. Wat dit betreft is er veel aanbod.

- Ze zijn geschikt voor gebruik in leslaboratoria en als training, omdat ze de operator helpen vertrouwd te raken met de theoretische en praktische aspecten van de techniek.

- Ze zijn bijna altijd onderhoudsarm.

- Ze zijn resistent en duurzaam.

- Het aflezen van de meting is iets omslachtiger, vooral als de te analyseren stof een laag rotatievermogen heeft, daarom is de operator meestal gespecialiseerd personeel.

Voor- en nadelen van automatische en digitale polarimeters

- Ze zijn gemakkelijk te hanteren en af ​​te lezen, er is geen gespecialiseerd personeel voor nodig.

- De digitale polarimeter kan de gegevens naar de printer of het opslagapparaat exporteren.

- Automatische polarimeters hebben minder meettijd nodig (ongeveer 1 seconde).

- Ze hebben de mogelijkheid om met intervallen te meten.

- De foto-elektrische detector maakt analyse van stoffen met een laag rotatievermogen mogelijk.

- Temperatuur efficiënt regelen, de parameter die de meting het meest beïnvloedt.

- Sommige modellen zijn duur.

- Ze hebben onderhoud nodig.

Toepassingen

Polarimetrie kent een groot aantal toepassingen, zoals in het begin vermeld. De gebieden zijn divers en de te analyseren verbindingen kunnen ook organisch en anorganisch zijn. Dit zijn er een paar:

- Bij farmaceutische kwaliteitscontrole, helpen bepalen dat de stoffen die bij de vervaardiging van geneesmiddelen worden gebruikt, de juiste concentratie en zuiverheid hebben.

- Voor de kwaliteitscontrole van de voedingsindustrie, analyse van de zuiverheid van suiker en de inhoud ervan in dranken en snoep. Polarimeters die op deze manier worden gebruikt, worden ook wel saccharimeters genoemd en gebruiken een bepaalde schaal, anders dan die in andere toepassingen wordt gebruikt: de ºZ-schaal.

Figuur 7. De kwaliteitscontrole van het suikergehalte in wijnen en vruchtensappen wordt uitgevoerd door middel van polarimetrie. Bron: Pixabay.

- Ook in de levensmiddelentechnologie wordt het gebruikt om het zetmeelgehalte van een monster te vinden.

- In de astrofysica wordt polarimetrie gebruikt om de polarisatie van licht in sterren te analyseren en om de magnetische velden in astronomische omgevingen en hun rol in de stellaire dynamica te bestuderen.

- Polarimetrie is nuttig bij het opsporen van oogziekten.

- In apparatuur voor teledetectie via satellieten voor het observeren van schepen op volle zee, gebieden met vervuiling in het midden van de oceaan of op het land, dankzij het maken van beelden met een hoog contrast.

- De chemische industrie gebruikt polarimetrie om onderscheid te maken tussen optische isomeren. Deze stoffen hebben identieke chemische eigenschappen, omdat hun moleculen dezelfde samenstelling en structuur hebben, maar de ene is een spiegelbeeld van de andere.

Optische isomeren verschillen in de manier waarop ze licht polariseren (enantiomeren): de ene isomeer doet dat naar links (linkshandig) en de andere naar rechts (rechtshandig), altijd vanuit het oogpunt van de waarnemer.

1. AGS Analytisch. Waar is een polarimeter voor? Hersteld van: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chemistry. 2013. Elfde editie. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Hersteld van: triplenlace.com.
4. Wetenschappelijke instrumenten. Polarimeters. Hersteld van: uv.es.
5. Polytechnische universiteit van Valencia. Toepassing van polarimetrie bij het
   bepalen van de zuiverheid van een suiker. Hersteld van: riunet.upv.es.