Polarimetria y Refractometria

Polarimetría La polarimetría es una técnica de análisis que consistente en medir la actividad óptica de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos. Un compuesto es considerado ópticamente activo si la luz linealmente polarizada sufre una rotación cuando pasa a través de una muestra de dicho compuesto. La rotación óptica o actividad óptica es la rotación de la polarización lineal de la luz cuando viaja a través de ciertos materiales. Suele ser un fenómeno que ocurre en soluciones que presentan moléculas quirales tales como la sacarosa (azúcar), sólidos con planos cristalinos rotados, tales como el cuarzo, y la polarización circular de gases atómicos o moleculares. La polarización es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico oscila solo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

Figura 5: Polarización de la luz.

La luz polarizada se usa para identificar las sustancias cuyas moléculas son capaces de desviarla del plano en que vibra dicha luz. A dichas moléculas se les llama quirales, y a la desviación se le conoce como actividad óptica. Las moléculas quirales se diferencian de las aquirales en que tienen actividad óptica, desvían el plano en el que vibra la luz polarizada. La quilaridad es la propiedad que tienen ciertas moléculas de poder existir bajo dos formas que son imágenes especulares la una de la otra, es decir, una es la imagen reflejada en un espejo de la otra.

Figura 6: quilaridad. La rotación óptica viene determinada por la estructura molecular y la concentración de moléculas quirales. Rotación específica La rotación específica de una sustancia química es simplemente una rotación angular obtenida en condiciones de medición estándar: concentración, longitud del tubo, temperatura y longitud de onda. La mayoría de las rotaciones específicas tiene como referencia la longitud de onda del sodio, de 589 nm. La rotación específica es una característica única de una sustancia química y, desde luego, puede ser cualquier ángulo; a menudo tiene una magnitud superior a ± 90°.

Cada sustancia ópticamente activa tiene su propia rotación específica, determinada por la siguiente ecuación de Biots:

Origen de las señales La luz polarizada es aquella que ha pasado a través de un “polarizador”, que fuerza ondas electromagnéticas aleatorizadas hacia un plano. Cuando esta luz polarizada en un plano pasa a través de una sustancia ópticamente activa (por ejemplo, una solución de una sustancia química ópticamente activa), el PLANO de polarización se gira en una cantidad que es característica de la sustancia examinada. Los polarímetros detectan la posición del PLANO y la comparan con su posición original siendo la diferencia la rotación, que se expresa normalmente en grados angulares (ºA).

Figura 7: Polarizador

Se coloca un tubo de muestra que contiene el líquido (solución) examinado entre dos elementos polarizantes (tira polaroide o cristal de calcita). El primer elemento, el polarizador, polariza la luz antes de que pase a través de la muestra. El segundo elemento, el analizador, puede girarse para contrarrestar cualquier rotación por la muestra y, por tanto, localiza la posición angular resultante del plano de la luz y, por lo tanto, la cantidad de rotación causada por la muestra. En la industria del azúcar, la rotación se expresa sobre una escala diferente, llamada Escala Internacional del Azúcar (ISS en sus siglas inglesas), que se denota como ºZ. Los polarímetros que se han diseñado para su uso específicamente en la industria del azúcar se conocen como sacarímetros. Longitud de onda La longitud de onda del sodio, de 589 nm, es, con mucho, la fuente luminosa más común que se usa en la polarimetría; la mayoría de los métodos experimentales y los datos publicados se basan en esta longitud de onda. Otra fuente popular es el mercurio, con una longitud de onda de 546 nm; existe cada vez un mayor interés por la longitud de onda del infrarrojo cercano, de 880 nm, debido a su capacidad para penetrar las muestras que absorben muestras oscuras y con colores intensos que absorben luz. Instrumentación El polarímetro. Es un instrumento mediante el cual podemos determinar el valor de la desviación de la luz polarizada y está configurado con los siguientes componentes:

Figura 8: Partes de un Polarímetro.

Los componentes básicos del polarímetro son: 

Una fuente de radiación monocromática. Una fuente de luz (por lo

general una lámpara sodio). 

Un prisma que actúa de polarizador de la radiación utilizada .Un

filtro polarizador o polarizador es un material con transmitancia selectiva a una determinada dirección de oscilación del campo eléctrico de una onda electromagnética como la luz (Prisma de Nicole). 

Un tubo para la muestra. Para mantener la substancia (o solución)

ópticamente activa en el rayo luminoso. 

Un prisma analizador. El analizador de un polarímetro no es más que

otro polarizador. Si el tubo del polarímetro esta vacio, o si se encuentra presente una substancia ópticamente inactiva, los ejes de la luz polarizada plana y del analizador estarán completamente paralelos cuando el instrumento da una lectura de 0º y el observador detectara que se transmite una cantidad máxima de luz. Si por lo contrario, el tubo contiene una substancia ópticamente activa, el plano de polarización de la luz habrá girado a medida que pasa a través del tubo.



Un detector (que puede ser el ojo o un detector fotoeléctrico). Se trata de aparatos muy eficientes que garantizan una exactitud de

aproximadamente ± 0.002 para rotaciones mayores o iguales a 1°.

Figura 9: Polarímetro

Información Cualitativa y Cuantitativa La polarimetría es una técnica de alto rendimiento para el análisis de líquidos ópticamente activos, como, por ejemplo, las soluciones azucaradas, el ácido láctico o el ácido tartárico. La medición del ángulo de giro de la luz con polarización lineal al atravesar una sustancia ópticamente activa pertenece al repertorio estándar de las prácticas de laboratorio químicas, bioquímicas y farmacéuticas. Estas ofrecen información valiosa acerca de la estructura química, la quilaridad y la concentración de una prueba. Los polarímetros clásicos funcionan de forma manual. La claridad de la luz polarizada y girada se valorará a ojo y el resultado se leerá en una escala. El uso de un polarímetro manual requiere que el operario tenga experiencia, que esté cualificado y exige un cierto periodo de tiempo. Un polarímetro automático moderno acelera estos procesos – se dispone de un valor de medición más preciso en tan solo unos pocos segundos. El funcionamiento digital de este dispositivo descarta los fallos de medición originados por el usuario y facilita resultados reproducibles con exactitud – un factor decisivo para las mediciones durante los controles de calidad y el seguimiento de procesos. Los

materiales

conocidos

como

ópticamente

activos

son

sustancias

transparentes que hacen girar el plano de polarización de la luz que les impacta. Esto se debe a la estructura espacial de sus moléculas. Algunos materiales cuentan con la misma composición química, pero sus moléculas están dispuestas espacialmente de forma simétrica. Estos son los llamados enantiómeros, que rotan el plano de polarización de la luz en direcciones opuestas. Algunos ejemplos son el azúcar o el conocido ácido láctico del yogur, que lleva a cabo una rotación hacia la derecha y la izquierda. En la naturaleza, por lo general, solo se da uno de los dos enantiómeros. Sin embargo, durante la síntesis química, ambos pueden ocurrir. Los diversos enantiómeros de una misma sustancia tienen efectos farmacológicos diferentes y por ello deben separarse durante la producción farmacéutica, por ejemplo, mediante la detección HPLC. La pureza de los productos de reacción puede determinarse mediante polarimetría.

Aplicaciones 

La

polarimetría

puede

ser

usada

para

identificar

sustancias

cualitativamente, así como caracterizar y distinguir enantiómeros, medir la pureza (en la industria del azúcar, la sacarosa es ópticamente mucho más activa que muchas impurezas comunes), o para llevar el control de calidad en las industrias químicas y farmacéuticas. 

El polarímetro es usado en la industria química, farmacéutica, hospitales,

institutos, universidades y laboratorios de investigación ya que, midiendo la rotación óptica de las sustancias orgánicas con la ayuda del polarímetro, podemos conocer el grado de pureza, concentración y contenido de cientos de materiales activos ópticamente, como soluciones de azúcar, trementina, aceites industriales, alcanfor, etc. Ejemplo

Refractometría ¿QUE ES LA REFRACCION? Cuando se pone un lápiz en el agua, la punta del lápiz aparece inclinada. Luego, si se hace lo mismo pero colocando el lápiz en una solución de agua azucarada, la punta del mismo aparecerá más inclinada. Este es el fenómeno de la refracción de la luz.

La Refractometría Es una técnica analítica que consiste en la medida del índice de refracción de un líquido con objeto de investigar su composición si se trata de una disolución o de su pureza si es un compuesto único. La medida continua en una columna cromatrográfica puede indicar la composición o pureza del eluyente.

Teoría y origen de las señales Un rayo de luz que pasa oblicuamente desde un medio hacia otro de diferente densidad, cambia su dirección cuando traspasa la superficie. Este cambio en la dirección se denomina refracción. Cuando el segundo medio es más denso que el primero, el rayo el rayo se aproxima a la perpendicular trazada sobre la superficie divisoria en el punto de incidencia. La causa fundamental de este cambio en la dirección se debe al cambio en la velocidad de la luz que se hace más lenta cuanto más denso sea el medio por el que pasa el haz. La luz amarilla de la lámpara de sodio disminuye su velocidad desde 3*1010 cm/s en el vacío hasta 2,25*1010 cm/s en el agua. El ángulo formado entre el rayo en el primer medio y la perpendicular se llama ángulo de incidencia, i, mientras que el correspondiente ángulo en el segundo medio se denomina ángulo de refracción, r. El índice de refracción, n, es la razón entre las velocidades de la luz en ambos medios. La ley de Snell representa a este índice como la razón de los senos de los ángulos de incidencia y refracción:

El índice de refracción es una constante adimensional, por lo tanto, cuyo valor para una luz de una determinada longitud de onda viene determinada por las características del medio líquido o sólido y el aire como medio de referencia. Si se va a comparar los índices de líquidos o disoluciones se debe indicar el medio de referencia así como otras variables que afectan a la velocidad de la luz en la muestra a medir. El símbolo nD20, por ejemplo, se refiere a la medida a 20 °C del índice para las líneas D del sodio.

Información Cuantitativa y Cualitativa 

Los sólidos solubles

La concentración de sólidos solubles define el efecto de la temperatura, la medición de estos representa uno de los principales análisis a realizar durante la refractometría. Este proceso constituye la piedra angular de diversos procesos industriales como la elaboración de jugos, control de calidad en diversos alimentos, incluso juega un papel fundamental en la industria del vino, ya que con ella se logran las condiciones ideales de fermentación, ya que el contenido de sólidos solubles es un buen estimador del contenido azúcar en los jugos de frutas, pues ésta representa más del

90%

de

la

materia

soluble

en

la

mayoría

de

ellos.

Además de ser empleado en el acondicionamiento de mostos, este procedimiento tiene utilidad adicional en diversos procesos tales como la determinación del estado óptimo de madurez de un fruto, la evaluación de la marcha fermentativa por la disminución de su valor en el tiempo, el cálculo del alcohol potencial de un mosto, etc. 

GRADOS

Brix Los refractómetros manuales indican los grados brix. Estos sirven al momento de preparar diferentes sustancias, como los néctares, jugos, mermeladas, miel y cualquier tipo de productos líquidos. Los grados Brix (símbolo °Bx) miden el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Por ejemplo, una solución de 25 °Bx tiene 25 g de sacarosa por 100 g de líquido o, dicho de otro modo, hay 25 g de sacarosa y 75 g de agua en los 100 g de la solución. Baumé Un grado Baumé equivale a 17 gramos por litro de azúcar o peso potencial de la muestra, la escala Baumé densidad.

es común en Francia y determina el valor por la

Instrumentación 

Refractómetros

Los refractómetros son instrumentos de medición, en los que éste fenómeno de la refracción de la luz se pone en práctica. Ellos se basan en el principio por el cual, cuando aumenta la densidad de una sustancia (por ejemplo: cuando se disuelve el azúcar en el agua), el índice de refracción aumenta proporcionalmente con la concentración de la sustancia. Los refractómetros fueron inventados por Ernst Abbe, a principios del siglo XX. Existen dos tipos de refractómetros en función de la detección del índice de refracción; sistemas transparentes y sistemas de reflexión. Los refractómetros portátiles y los refractómetros Abbe usan los sistemas transparentes, mientras que los refractómetros digitales usan los sistemas de reflexión. Los aparatos más importantes se basan en dos principios: refractómetros de ángulo límite o crítico y los refractómetros

de

desplazamiento

Figura: Esquema de un Refractómetro

de

imagen.

Refractómetros de ángulo límite: En estos aparatos se observa el campo del

ocular dividido en una zona obscura y otra clara. La separación entre ambas corresponde al rayo límite. El rayo límite se puede visualizar en el esquema siguiente. La luz pasa a través de una capa delgada de muestra (0,1 mm) y entra en el prisma de difracción P 2. El prisma P1 es de difusión de manera que muestra una superficie rugosa y actúa como fuente de un número infinito de rayos que entran en la muestra en todas direcciones. La radiación que únicamente roza la superficie del prisma P 2 penetra en él formando un ángulo Φc llamado ángulo límite o crítico y su valor depende de la longitud de onda y de los índices de refracción de la muestra y del prisma. Ningún rayo puede formar un ángulo superior al límite ya que la fuente de tales rayos no penetra en el prisma y todos los demás rayos que penetran en el prisma se refractan según ángulos menores (a la derecha), que el ángulo límite, e iluminarán la parte derecha del ocular. La zona de la izquierda permanece oscura ya que no se refractan rayos a ángulos superiores al límite. La medida de este ángulo permite medir el índice de refracción de la muestra. En un aparato de Abbé, lo que se mide es α que es el complementario de Φc, y es el ángulo con el que emergen los rayos del prisma P2. La mayoría de los refractómetros utilizan este principio y los más importantes son los de Abbé, Pulfrich y los de inmersión.

Figura 10: Esquema de un refractómetro de ángulo limite.

Refractómetros Abbe: Los refractómetros Abbe se caracterizan por su sencillo manejo y por unas cantidades de muestra reducidas. La medición de las muestras sólidas o pastosas es igualmente sencilla que la de las muestras líquidas. El refractómetro Abbe es el “abuelo” de todos los refractómetros modernos; fue desarrollado en 1869 por Ernst Abbe y sirve para determinar el índice de refracción. Gracias a su sencillo funcionamiento y su fiabilidad, todavía tiene cabida en los laboratorios. Las muestras sólidas o pastosas se miden con la misma facilidad que las líquidas. Para ello, el refractómetro hace uso del principio de refracción total, el cual tiene lugar en la capa límite entre el prisma y la muestra. El índice de refracción del prisma determina el límite superior del rango de medición, ya que este debe ser siempre mayor que el de la muestra. Las muestras sólidas se cubren con un fluido de contacto con propiedades definidas, mientras que las muestras con un índice de refracción muy alto, como p. ej., las piedras preciosas, se deben analizar con un refractómetro especial para piedras preciosas. Otra gran ventaja de los refractómetros Abbe es su capacidad de poder efectuar no sólo mediciones de muestras solidas, sino también de masas y de muestras teñidas y turbias. Refractómetro de inmersión: Es el más simple de todos. Requiere sólo 1015 ml de muestra. En prisma simple va montado en un telescopio que contiene el compensador y el ocular. La escala se sitúa debajo del ocular dentro del tubo. La superficie inferior del prisma se sumerge en un pequeño vaso que contiene a la muestra, con un espejo debajo para reflejar la luz hacia arriba a través del líquido. Refractómetro de Pulfrich: Se usa sobre todo para medidas precisas en disoluciones o líquidos muy volátiles, o reactivos higroscópicos, y para medidas de dispersión. Los valores absolutos obtenidos no son fiables en la quinta cifra decimal, pero una comparación a dos longitudes de onda o con dos sustancias puede dar una precisión de ±1·10-5. Los sólidos o líquidos con índices entre 1,33 y 1,86 pueden ser determinados en un amplio intervalo de temperaturas. El índice de refracción n no puede ser determinado directamente, sino después de una serie de observaciones. Una vez estabilizado el aparato es posible obtener el índice en unos cinco minutos.

Refractómetros de desplazamiento de imagen: En estos aparatos se mide el desplazamiento del rayo refractado en relación al rayo incidente, en vez de medir el desplazamiento de la línea de separación entre la zona clara y oscura debido al ángulo límite. Se construye un prisma con la muestra y el índice se calcula en base al desplazamiento angulas de la luz al pasar por la muestra. Si la muestra es líquida se coloca en un recipiente en forma de prisma. La precisión es superior a la obtenida con el refractómetro de Abbé. No hay límite en la determinación de índices de refracción y se puede trabajar en un mayor número de longitudes de onda, incluso zonas del ultravioleta o infrarrojo cercano, si se usan prismas de cuarzo. Entre estos aparatos están los refractómetros diferenciales. APLICACIONES 

Para monitorizar la pureza del butadieno y estireno para la fabricación del

caucho. Los índices de estos ingredientes son 1,5434 y 1,4120, respectivamente. Un cambio

de



0.1%

es

detectable

por

refractometría.

En la industria alimentaria para la semilla de soja o del aceite de semilla

de algodón con índices de 1,47. El producto final para producir margarina tiene 1,43.



Otras aplicaciones se relacionan con la variación de la concentración de

disoluciones. Así, la concentración en azúcar, salmueras y ácidos es fácil de seguir mediante refractometría. Por ejemplo, el índice de refracción de una disolución de sacarosa aumenta 0,0002 unidades por un incremento de la concentración de 0,1%. También se detectan cambios de 0,02% en la concentración de ácido nítrico por el mismo procedimiento, e incluso más sensibilidad se puede conseguir en las medidas de las concentraciones



de

ácido

sulfúrico.

El índice de refracción tiene muchas aplicaciones en el campo de la

Química, como la identificación de productos, análisis cuantitativo de soluciones, determinación de la pureza de muestras, y son

útiles para determinar momentos

dipolares, estructuras moleculares y pesos moleculares aproximados.

Ejemplo