POLARIMETRIA: LOGICA, TIPOLOGIE, APPLICAZIONI, VANTAGGI E SVANTAGGI - CHIMICA - 2025

La polarimetria misura la rotazione subita da un fascio di luce polarizzata quando passa attraverso una sostanza otticamente attiva che può essere un vetro (es. Tormalina) o una soluzione zuccherina.

È una tecnica semplice, appartenente ai metodi ottici di analisi e con numerose applicazioni, soprattutto nell'industria chimica e agroalimentare, per determinare la concentrazione di soluzioni zuccherine.

Figura 1. Polarimetro automatico digitale. Fonte: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Base

Il fondamento fisico di questa tecnica risiede nelle proprietà della luce come un'onda elettromagnetica, costituita da un campo elettrico e uno magnetico che si muovono in direzioni reciprocamente perpendicolari.

Le onde elettromagnetiche sono trasversali, il che significa che questi campi, a loro volta, si propagano nella direzione perpendicolare ad esse, secondo la figura 2.

Tuttavia, poiché il campo è costituito da numerosi treni d'onda che provengono da ciascun atomo, e ognuno oscilla in direzioni diverse, la luce naturale o quella proveniente da una lampadina a incandescenza non è polarizzata.

Al contrario, quando le oscillazioni del campo avvengono in una direzione preferenziale, si dice che la luce sia polarizzata. Ciò può essere ottenuto facendo passare il fascio luminoso attraverso determinate sostanze in grado di bloccare componenti indesiderati e facendone passare solo uno in particolare.

Figura 2. Animazione di un campo elettromagnetico che si propaga lungo l'asse x. Fonte: Wikimedia Commons. And1mu.

Se inoltre l'onda luminosa è costituita da una sola lunghezza d'onda, abbiamo un fascio monocromatico polarizzato linearmente.

I materiali che agiscono come filtri per ottenere questo risultato sono chiamati polarizzatori o analizzatori. E ci sono sostanze che rispondono alla luce polarizzata, ruotando il piano di polarizzazione. Sono note come sostanze otticamente attive, ad esempio gli zuccheri.

Tipi di polarimetro

In generale, i polarimetri possono essere: manuali, automatici e semiautomatici e digitali.

manuali

I polarimetri manuali sono utilizzati nei laboratori didattici e piccoli laboratori, mentre quelli automatici sono preferiti quando è richiesto un numero elevato di misurazioni, in quanto riducono al minimo il tempo impiegato per la misurazione.

Automatico e digitale

I modelli automatico e digitale sono dotati di un rilevatore fotoelettrico, un sensore che emette una risposta al cambio di luce e aumenta notevolmente la precisione delle misurazioni. Ci sono anche quelli che offrono la lettura su uno schermo digitale, essendo molto facili da usare.

Per illustrare il funzionamento generale di un polarimetro, di seguito viene descritto un tipo ottico manuale.

Funzionamento e parti

Un polarimetro di base fa uso di due prismi Nicol o fogli Polaroid, tra i quali si trova la sostanza otticamente attiva da analizzare.

William Nicol (1768-1851) era un fisico scozzese che dedicò gran parte della sua carriera alla strumentazione. Utilizzando un cristallo di calcite o un longherone islandese, un minerale capace di scindere un fascio di luce incidente, Nicol creò nel 1828 un prisma con il quale si poteva ottenere la luce polarizzata. È stato ampiamente utilizzato nella costruzione di polarimetri.

Figura 4. Cristallo di calcite birifrangente. Fonte: Wikimedia Commons. APN MJM.

Le parti principali di un polarimetro sono:

- La fonte di luce. Generalmente una lampada a vapori di sodio, tungsteno o mercurio, la cui lunghezza d'onda è nota.

- Polarizzatori. I modelli più vecchi utilizzavano prismi Nicol, mentre quelli più moderni di solito utilizzano fogli Polaroid, costituiti da molecole di idrocarburi a catena lunga con atomi di iodio.

- Un portacampioni. Dove si trova la sostanza da analizzare, la cui lunghezza è variabile, ma esattamente nota.

- Un oculare e indicatori dotati di scale nonio. Per l'osservatore per misurare con precisione la potenza di rotazione del campione. I modelli automatici hanno sensori fotoelettrici.

- Inoltre, indicatori di temperatura e lunghezza d'onda. Poiché il potere rotazionale di molte sostanze dipende da questi parametri.

Figura 5. Schema di un polarimetro manuale. Fonte: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimetro

Nella procedura descritta c'è un piccolo inconveniente quando l'osservatore regola il minimo di luce, poiché l'occhio umano non è in grado di rilevare piccolissime variazioni di luminosità.

Per ovviare a questo problema, il polarimetro Laurent aggiunge un mezzo foglio ritardante a mezza lunghezza d'onda, realizzato in materiale birifrangente.

In questo modo, l'osservatore ha due o tre regioni adiacenti di diversa luminosità, chiamate campi, nell'osservatore. Ciò rende più facile per l'occhio distinguere i livelli di luce.

Si ha la misurazione più accurata quando l'analizzatore è ruotato in modo tale che tutti i campi siano ugualmente deboli.

Figura 6. Lettura manuale del polarimetro. Fonte: F. Zapata.

Legge di Biot

La legge di Biot mette in relazione il potere rotatorio α di una sostanza otticamente attiva, misurata in gradi sessagesimali, con la concentrazione c di detta sostanza - quando è una soluzione - e la geometria del sistema ottico.

Questo è il motivo per cui nella descrizione del polarimetro è stato posto l'accento sul fatto che i valori di lunghezza d'onda della luce e quella del portacampioni dovevano essere conosciuti.

La costante di proporzionalità è indicata e chiamata potenza di rotazione specifica della soluzione. Dipende dalla lunghezza d'onda λ della luce incidente e dalla temperatura T del campione. I valori di sono solitamente tabulati a 20 ° C per la luce al sodio, in particolare, la cui lunghezza d'onda è di 589,3 nm.

A seconda del tipo di composto da analizzare, la legge di Biot assume forme diverse:

- Solidi otticamente attivi: α = .ℓ

- Liquidi puri: α =. ℓ.ρ

- Soluzioni con soluti che hanno attività ottica: α =. ℓ.c

- Campioni con più componenti otticamente attivi: ∑α _i

Con le seguenti quantità aggiuntive e relative unità:

- Lunghezza del portacampioni: ℓ (in mm per i solidi e dm per i liquidi)

- Densità dei liquidi: ρ (in g / ml)

- Concentrazione: c (in g / ml o molarità)

Vantaggi e svantaggi

I polarimetri sono strumenti di laboratorio molto utili in vari settori e ogni tipo di polarimetro presenta vantaggi in base alla sua destinazione d'uso.

Un grande vantaggio della tecnica stessa è che si tratta di un test non distruttivo, appropriato quando si analizzano campioni costosi e di valore o che per qualche motivo non possono essere duplicati. Tuttavia, la polarimetria non è applicabile a nessuna sostanza, solo a quelle che hanno attività ottica o sostanze chirali, come sono anche note.

È inoltre necessario considerare che la presenza di impurità introduce errori nei risultati.

L'angolo di rotazione prodotto dalla sostanza analizzata è in linea con le sue caratteristiche: il tipo di molecola, la concentrazione della soluzione e anche il solvente utilizzato. Per ottenere tutti questi dati è necessario conoscere esattamente la lunghezza d'onda della luce utilizzata, la temperatura e la lunghezza del contenitore portacampioni.

La precisione con cui si vuole analizzare il campione è determinante nella scelta di un'apparecchiatura adeguata. E anche il suo costo.

Vantaggi e svantaggi del polarimetro manuale

- Tendono ad essere più economici, sebbene ci siano anche versioni digitali a basso costo. Per quanto riguarda questo c'è molta offerta.

- Sono adatti per l'uso nei laboratori didattici e come addestramento, perché aiutano l'operatore a familiarizzare con gli aspetti teorici e pratici della tecnica.

- Sono quasi sempre a bassa manutenzione.

- Sono resistenti e durevoli.

- La lettura della misura è un po 'più laboriosa, soprattutto se la sostanza da analizzare ha un basso potere di rotazione, quindi l'operatore è solitamente personale specializzato.

Vantaggi e svantaggi dei polarimetri automatici e digitali

- Sono facili da maneggiare e leggere, non richiedono personale specializzato per il loro funzionamento.

- Il polarimetro digitale può esportare i dati sulla stampante o sul dispositivo di memorizzazione.

- I polarimetri automatici richiedono un tempo di misurazione inferiore (circa 1 secondo).

- Hanno opzioni per misurare per intervalli.

- Il rivelatore fotoelettrico consente di analizzare sostanze con basso potere rotazionale.

- Controlla efficacemente la temperatura, il parametro che più influenza la misura.

- Alcuni modelli sono costosi.

- Necessitano di manutenzione.

applicazioni

La polarimetria ha un gran numero di applicazioni, come accennato all'inizio. Le aree sono diverse e anche i composti da analizzare possono essere organici e inorganici. Questi sono alcuni di loro:

- Nel controllo della qualità farmaceutica, aiuta a determinare che le sostanze utilizzate nella produzione di medicinali hanno la concentrazione e la purezza appropriate.

- Per il controllo di qualità dell'industria alimentare, analizzando la purezza dello zucchero, nonché il suo contenuto in bevande e dolci. I polarimetri usati in questo modo sono anche chiamati saccarimetri e utilizzano una scala particolare, diversa da quella usata in altre applicazioni: la scala ºZ.

Figura 7. Il controllo di qualità del contenuto di zucchero nei vini e nei succhi di frutta viene effettuato mediante polarimetria. Fonte: Pixabay.

- Anche nella tecnologia alimentare viene utilizzato per trovare il contenuto di amido di un campione.

- In astrofisica, la polarimetria viene utilizzata per analizzare la polarizzazione della luce nelle stelle e per studiare i campi magnetici presenti negli ambienti astronomici e il loro ruolo nella dinamica stellare.

- La polarimetria è utile per rilevare le malattie degli occhi.

- Nei dispositivi di telerilevamento satellitare per l'osservazione di navi in ​​alto mare, zone di inquinamento in mezzo all'oceano oa terra, grazie alla ripresa di immagini ad alto contrasto.

- L'industria chimica utilizza la polarimetria per distinguere tra isomeri ottici. Queste sostanze hanno proprietà chimiche identiche, poiché le loro molecole hanno la stessa composizione e struttura, ma una è un'immagine speculare dell'altra.

Gli isomeri ottici differiscono per il modo in cui polarizzano la luce (enantiomeri): un isomero lo fa a sinistra (mancino) e l'altro a destra (destrorso), sempre dal punto di vista dell'osservatore.

1. AGS Analytical. A cosa serve un polarimetro? Estratto da: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chimica. 2013. Undicesima edizione. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Estratto da: triplenlace.com.
4. Strumenti scientifici. Polarimetri. Recupero da: uv.es.
5. Politecnico di Valencia. Applicazione della polarimetria alla
   determinazione della purezza di uno zucchero. Estratto da: riunet.upv.es.