POLARIMETRIJA: PAGRINDIMAS, TIPAI, TAIKYMO BŪDAI, PRANAŠUMAI IR TRŪKUMAI - CHEMIJA - 2025

Praeinančios poliarizuotos matuoja poliarizuotos šviesos spindulį patiria sukimąsi, kai jis praeina pro optiškai aktyvi medžiaga, kuri gali būti stiklinę (pvz turmalino) arba cukraus tirpalu.

Tai yra paprastas metodas, priklausantis optiniams analizės metodams ir turintis daugybę pritaikymų, ypač chemijos ir žemės ūkio maisto pramonėje, norint nustatyti saldžių tirpalų koncentraciją.

1 pav. Skaitmeninis automatinis poliarimetras. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. „A.KRÜSS Optronic GmbH“, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Pagrindas

Fizinis šios technologijos pagrindas yra šviesos, kaip elektromagnetinės bangos, savybės, kurias sudaro elektrinis ir magnetinis laukai, judantys abipusiai statmenomis kryptimis.

Elektromagnetinės bangos yra skersinės, o tai reiškia, kad šie laukai, savo ruožtu, sklinda jiems statmena kryptimi, kaip parodyta 2 paveiksle.

Kadangi lauką sudaro daugybė iš kiekvieno atomo atkeliavusių bangų srautai, o kiekvienas iš jų svyruoja skirtingomis kryptimis, natūrali šviesa arba ta, kuri sklinda iš kaitrinės lemputės, nėra poliarizuota.

Priešingai, kai lauko virpesiai vyksta palankiomis kryptimis, tariama, kad šviesa yra poliarizuota. Tai galima pasiekti leidžiant šviesos pluoštui praeiti pro tam tikras medžiagas, galinčias blokuoti nepageidaujamus komponentus, ir pro kurias gali patekti tik viena.

2 pav. Išilgai x ašies sklindančio elektromagnetinio lauko animacija. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. And1mu.

Jei papildomai šviesos bangą sudaro vienas bangos ilgis, mes turime tiesiškai poliarizuotą monochromatinę pluoštą.

Medžiagos, kurios tam tikslui naudojamos kaip filtrai, vadinamos poliarizatoriais arba analizatoriais. Ir yra medžiagų, kurios reaguoja į poliarizuotą šviesą, suka poliarizacijos plokštumą. Jos yra žinomos kaip optiškai aktyvios medžiagos, pavyzdžiui, cukrus.

Poliarimetro tipai

Apskritai, poliarimetrai gali būti: rankiniai, automatiniai ir pusiau automatiniai bei skaitmeniniai.

Vadovai

Rankiniai poliarimetrai naudojami mokymo laboratorijose ir mažose laboratorijose, o automatiniai yra svarbesni, kai reikia atlikti daug matavimų, nes jie sumažina matavimui skirtą laiką.

Automatinis ir skaitmeninis

Automatiniai ir skaitmeniniai modeliai aprūpinti fotoelektriniu detektoriumi - jutikliu, kuris skleidžia atsaką į šviesos pasikeitimą ir labai padidina matavimų tikslumą. Taip pat yra tokių, kurie labai lengvai valdomi skaitmeniniame ekrane.

Norint parodyti bendrą poliarimetro veikimą, toliau aprašytas rankinis optinis tipas.

Valdymas ir dalys

Pagrindiniame poliarimere naudojamos dvi Nicolo prizmės arba „Polaroid“ lakštai, tarp kurių yra tiriamoji optiškai aktyvioji medžiaga.

Viljamas Nicolis (1768–1851) buvo škotų fizikas, didžiąją savo karjeros dalį skyręs prietaisams. Naudodamas kalcito arba Islandijos žvirblio krištolą, mineralą, galintį padalinti patekusios šviesos spindulį, Nicolis 1828 m. Sukūrė prizmę, per kurią buvo galima gauti poliarizuotą šviesą. Jis buvo plačiai naudojamas statant poliarimetrus.

4 paveikslas. Dviejų lūžių kalcito kristalai. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. APN MJM.

Pagrindinės poliarimetro dalys yra:

- Šviesos šaltinis. Paprastai natrio, volframo arba gyvsidabrio garų lempa, kurios bangos ilgis yra žinomas.

- Poliarizatoriai. Senesni modeliai naudojo Nicolo prizmes, tuo tarpu modernesni dažniausiai naudoja „Polaroid“ lakštus, pagamintus iš ilgos grandinės angliavandenilių molekulių su jodo atomais.

- mėginio laikiklis. Kur dedama analizuojama medžiaga, kurios ilgis kintamas, bet tiksliai žinomas.

- Okuliaras ir indikatoriai pateikiami su vernierinėmis svarstyklėmis. Stebėtojui tiksliai išmatuoti mėginio sukimosi jėgą. Automatiniai modeliai turi fotoelektrinius jutiklius.

- Be to, temperatūros ir bangos ilgio rodikliai. Kadangi daugelio medžiagų sukimosi galia priklauso nuo šių parametrų.

5 pav. Rankinio poliarimetro schema. Šaltinis: Chang, R. Chemija.

Laurento poliarimetras

Apibūdinant aprašytą procedūrą, nedidelis nepatogumas, kai stebėtojas sureguliuoja šviesos minimumą, nes žmogaus akis nesugeba aptikti labai mažų šviesos ryškumo pokyčių.

Norėdami išspręsti šią problemą, „Laurent“ poliarimetras prideda pusės bangos ilgio lėtinantį puslapį, pagamintą iš dvipusio skonio medžiagos.

Tokiu būdu stebėtojas turi du ar tris gretimus skirtingo ryškumo regionus, vadinamus laukais, žiūrove. Tai leidžia akiai lengviau atskirti šviesos lygius.

Tiksliausias matavimas atliekamas tada, kai analizatorius pasukamas taip, kad visi laukai būtų vienodi.

6 paveikslas. Rankinis poliarimetro rodmuo. Šaltinis: F. Zapata.

Bioto dėsnis

Bioto dėsnis optiškai aktyvios medžiagos sukimosi jėgą α, matuojamą lygiaverčiais laipsniais, susieja su šios medžiagos koncentracija c, kai ji yra tirpalas, ir optinės sistemos geometriją.

Štai kodėl poliarimetro aprašyme buvo akcentuojama, kad turėjo būti žinomos šviesos ir mėginio laikiklio bangos ilgio vertės.

Proporcingumo konstanta žymima ir vadinama specifine tirpalo sukimosi jėga. Tai priklauso nuo krintančios šviesos bangos ilgio λ ir mėginio temperatūros T. Natrio šviesos, kurios bangos ilgis yra 589,3 nm, vertės paprastai pateikiamos lentelėse 20 ° C temperatūroje.

Atsižvelgiant į analizuojamo junginio tipą, Bioto dėsnis būna įvairių formų:

- Optiškai aktyvios kietosios medžiagos: α = .ℓ

- Gryni skysčiai: α =. ℓ.ρ

- Tirpalai su tirpintomis medžiagomis, turinčiomis optinį aktyvumą: α =. ℓ.c

- Mėginiai, kurių kelių optiškai aktyvių komponentų: Σα _i

Turint šiuos papildomus kiekius ir jų vienetus:

- Mėginio laikiklio ilgis: ℓ (kietosioms medžiagoms mm, o skysčiams - dm)

- Skysčių tankis: ρ (g / ml)

- Koncentracija: c (g / ml arba moliškumas)

Privalumai ir trūkumai

Poliarimetrai yra labai naudingi laboratoriniai prietaisai įvairiose vietose ir kiekvieno tipo poliarimetrai turi pranašumų pagal numatytą paskirtį.

Didelis pačios technikos pranašumas yra tas, kad tai yra neardomieji bandymai, tinkami analizuojant brangius, vertingus mėginius arba kurie dėl tam tikrų priežasčių negali būti dubliuojami. Tačiau poliarimetrija netaikoma jokioms medžiagoms, tik toms, kurios turi optinį aktyvumą ar chiralinėms medžiagoms, nes jos taip pat žinomos.

Taip pat būtina atsižvelgti į tai, kad priemaišos lemia rezultatų klaidą.

Analizuojamos medžiagos sukimosi kampas atitinka jos savybes: molekulės tipą, tirpalo koncentraciją ir net naudojamą tirpiklį. Norint gauti visus šiuos duomenis, būtina tiksliai žinoti naudojamos šviesos bangos ilgį, temperatūrą ir mėginio laikiklio talpyklos ilgį.

Pasirinkus tinkamą įrangą, lemia tikslumas, su kuriuo norite analizuoti mėginį. Ir jo kaina taip pat.

Rankinio poliarimetro privalumai ir trūkumai

- Jie paprastai yra pigesni, nors yra ir pigių skaitmeninių versijų. Kalbant apie tai, yra labai daug.

- Jie yra tinkami naudoti mokymo laboratorijose ir mokymui, nes padeda operatoriui supažindinti su teoriniais ir praktiniais šios technikos aspektais.

- Jie beveik visada reikalauja mažai priežiūros.

- Jie yra atsparūs ir patvarūs.

- Perskaityti matavimą yra šiek tiek sunkiau, ypač jei analizuojamos medžiagos sukimosi jėga yra maža, todėl operatorius paprastai yra specializuotas personalas.

Automatinių ir skaitmeninių poliarimetrų privalumai ir trūkumai

- Jas lengva valdyti ir skaityti, jų veikimui nereikia specializuoto personalo.

- Skaitmeninis poliarimetras gali eksportuoti duomenis į spausdintuvą arba saugojimo įrenginį.

- Automatiniams poliarimetrams matuoti reikia mažiau laiko (maždaug 1 sekundė).

- Jie turi galimybę išmatuoti intervalus.

- Fotoelektrinis detektorius leidžia analizuoti mažo sukimosi galios medžiagas.

- Efektyvus temperatūros valdymas - parametras, kuris daro didžiausią įtaką matavimui.

- Kai kurie modeliai yra brangūs.

- Jie reikalauja priežiūros.

Programos

Kaip minėta pradžioje, poliarimetrija turi daugybę pritaikymų. Sritys yra įvairios, o analizuojami junginiai taip pat gali būti organiniai ir neorganiniai. Tai tik keletas iš jų:

- atliekant vaistų kokybės kontrolę, padedama nustatyti, ar vaistų gamyboje naudojamos medžiagos turi tinkamą koncentraciją ir grynumą.

- Maisto pramonės kokybės kontrolei, analizuojant cukraus grynumą, taip pat jo kiekį gėrimuose ir saldainiuose. Tokiu būdu naudojami poliarimetrai taip pat vadinami sacharimetrais ir naudoja tam tikrą skalę, kitokią nei naudojama kitose programose: ºZ skalę.

7 pav. Cukraus kiekio vynuose ir vaisių sultyse kokybės kontrolė atliekama poliarimetrijos būdu. Šaltinis: „Pixabay“.

- Be to, maisto technologijoje jis naudojamas krakmolo kiekiui mėginyje nustatyti.

- Astrofizikoje poliarimetrija naudojama šviesos žvaigždžių poliarizacijai išanalizuoti astronominėje aplinkoje esančius magnetinius laukus ir jų vaidmenį žvaigždžių dinamikoje.

- Poliarimetrija naudinga nustatant akių ligas.

- Palydoviniuose nuotolinio stebėjimo įrenginiuose, skirtuose stebėti laivus atviroje jūroje, taršos vietose vandenyno viduryje arba sausumoje, nes fotografuojami labai kontrastingi vaizdai.

- Chemijos pramonė naudoja poliarimetriją, kad atskirtų optinius izomerus. Šios medžiagos turi identiškas chemines savybes, nes jų molekulės turi tą pačią sudėtį ir struktūrą, tačiau viena yra veidrodinis vaizdas.

Optiniai izomerai skiriasi tuo, kaip jie poliarizuoja šviesą (enantiomerai): vienas izomeras tai daro į kairę (kairiarankė), o kitas į dešinę (dešiniarankė), visuomet stebėtojo požiūriu.

1. AGS analitinis. Kam skirtas poliarimetras? Atkurta iš: agsanalitica.com.
2. Changas, R. Chemija. 2013. Vienuoliktas leidimas. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetrija. Atkurta iš: triplenlace.com.
4. Moksliniai instrumentai. Poliarimetrai. Atkurta iš: uv.es.
5. Valensijos politechnikos universitetas. Poliarimetrijos taikymas
   nustatant cukraus grynumą. Atkurta iš: riunet.upv.es.