POLARIMETRIA Y REFRACTROMETRIA

POLARIMETRÍA Y REFRACTROMETRÍA” POLARIMETRÍA

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POLARIMETRÍA La polarimetría es una técnica que se basa en la medición de la rotación óptica producida sobre un haz de luz polarizada al pasar por una sustancia ópticamente activa. La actividad óptica rotatoria de una sustancia, tiene su origen en la asimetría estructural de las moléculas. Es una técnica no destructiva consistente en medir la actividad (rotación) 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 viene determinada por la estructura molecular y la concentración de moléculas quirales. Cada sustancia ópticamente activa tiene su propia rotación especifica, determinada por la siguiente ecuación

[α] (t,λ) = α (t,λ) / c l Donde: [α] =Rotación específica a una determinada, α =rotación óptica, c = concentración, l = paso óptico a través de la muestra, T = temperatura, λ = longitud de onda

El método polarimétrico es una forma simple y precisa para la determinación e investigación de estructuras en macro, semimicro y micro análisis de compuestos cuyo coste económico o cuya dificultad para duplicarlos es alta. La Polarimetría se usa en control de calidad, control de procesos e investigación en la industria farmacéutica, química, aceite aceitess esenci esenciale ales, s, alimen alimentac tación ión y aromas aromas.. La farmac farmacope opea a y la Food Food & Drugs Drugs Admin Administ istrat ration ion (FDA) (FDA) incluy incluyen en numerosas especificaciones polarimétricas para numerosas substancias1. Principios de la polarimetría

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). 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 segu segund ndo o elem elemen ento to,, el analizador , pued puede e gira girars rse e para 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.  Actividad óptica

Sólo ciertas sustancias químicas tienen actividad óptica; el origen de esta es un campo complejo de la química y, en realidad, no es necesario dominarlo para apreciar la polarimetría básica. Un ejemplo de una molécula ópticamente activa es un azúcar. El agua y otros disolventes comunes que son ópticamente activos y, por lo tanto, cuando se preparan soluciones, la sustancia química ópticamente activa (por ejemplo, el azúcar en el agua) es la que causa rotación, no el disolvente. Rotación y rotación específica 1

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La rotación es una función lineal de la concentración tanto de la sustancia examinada como de la longitud de la vía de la solución (= longitud del tubo). Por lo tanto, al duplicar la concentración se duplicará la rotación angular; al duplicar la longitud del tubo también se duplicará la rotación. Las mediciones de la rotación óptica pueden emplearse para determinar la concentración y/o la pureza de una sustancia, o simplemente para detectar la presencia de una sustancia química ópticamente activa en una mezcla. 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 especí específic ficas as tiene tiene como como refere referenci ncia a la longit longitud ud de onda onda del sodio, de 589 nm. nm. La rotaci rotación ón especí específic fica a es una característica única de una sustancia química y, desde luego, puede ser cualquier ángulo; a menudo tiene una magnitud superior a ± 90°. Cálculo de la rotación específica (líquidos y soluciones ópticamente activos)

[α ] t 

λ 

=

α 

10 × l × c

............o.............[α ] λ  = t 

α 

10 × l × d  ×  p

Donde: Es la rotación óptica corregida. α  α ]t    λ  λ Es la rotación específica a una temperatura de t °C en la luz polarizada de longitud de onda λ. [ α  Es la longitud del tubo del polarímetro en metros. l  d  Es la densidad relativa del líquido o solución a 20 ºC. Es la concentración del soluto expresada en gramos por ml de solución. c  Es la concentración del soluto expresada en gramos por gramo de solución.  p 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. Intervalo angular: ambigüedad 

Los polarímetros sólo pueden detectar la posición del PLANO de luz antes de entrar en la muestra y después de transmitirla a través de la muestra. La diferencia angular (= rotación) puede proporcionar un resultado ambiguo porque una rotación positiva, por ejemplo, de 110°, es la misma posición del PLANO que una rotación negativa de -70. Por lo tanto, una muestra con una rotación de +110° mostrará -70° en el intervalo de grados predeterminado

El instrumento no puede decidir por sí solo cuántas veces el plano ha pasado por la posición de referencia de 180º a lo largo de la longitud de la v ía de la muestra. Depende del usuario conocer el intervalo (segmento angular) en el que se situará el resultado preparar el experimento para establecer la rotación absoluta. Por esta razón, con polarímetros digitales automáticos, el usuario debe seleccionar el intervalo angular de medición, conociendo (aproximadamente) dónde se situará la lectura. En el caso caso de rotaci rotacione oness angula angulares res grande grandess (magni (magnitud tud superior superior a ±90°), ±90°), es habitu habitual al que el usuari usuario o varíe varíe sistemáticamente la concentración (o longitud del tubo) y mida las rotaciones correspondientes. De esta manera, es posible determinar la diferencia entre una rotación de +270º y +90º. Desde luego, con los polarímetros manuales o semiautomáticos, es posible visualizar el círculo completo de ±180°. El resultado continúa siendo ambiguo, pero el usuario puede seleccionar uno de los dos puntos de la escala circular o tambor rotatorio, lo que resulte adecuado. El instrumento no decide cuál es la posición correcta; es el usuario quien lo hace.

Con polarímetros completamente automáticos, es habitual proporcionar una visualización de ±90°. Luego, el usuario debe decidir si continúa experimentando con concentraciones o longitudes del tubo para investigar la magnitud de la rotación. Así pues, cuando se visualiza una lectura de 45º, puede que el usuario deba añadir 180º, sabiendo que la rotación absoluta es de 225º (en este caso, una dilución del quíntuplo continuará dando una lectura de 45º)2. Los componentes básicos del polarímetro son: • • • • •

Una fuente de radiación monocromática Un prisma que actúa de polarizador de la radiación utilizada Un tubo para la muestra Un prisma analizador  Un detector (que puede ser el ojo o un detector fotoeléctrico 3)

 Aplicaciones

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Los polarímetros son instrumentos ópticos para medir la rotación o el “giro” de la luz. Los laboratorios industriales y los técnicos con conocimientos y experiencia variada con la técnica usan los polarí polarímet metros ros para para muchos muchos fines. fines. En alguna algunass aplica aplicacio ciones nes de contro controll de calida calidad d hasta hasta la invest investiga igació ción n fundamental de estructuras químicas complejas., es posible posible que el usuario no conozca a fondo los principios de la polarimetría o, tal vez, que no tenga una apreciación científica real y simplemente siga un procedimiento estándar de laboratorio y registre las mediciones de acuerdo con ello. En otras aplicaciones, por ejemplo, investigación y desarrollo, puede que sea necesario que el usuario conozca bien los principios y que esté en posición de investigar las propiedades ópticas de los materiales examinados, posiblemente por primera vez. A través de esta medida se puede hallar la concentración, contenido y pureza de la sustancia. La polarimetría es emple empleada ada en contro controll de calida calidad, d, contro controll de proceso procesoss e invest investiga igació ción n farmac farmacéut éutica ica y químic química, a, en aceite aceitess esenciales, saborizantes e industria alimenticia. Separación de isómeros ópticos. Dentro Dentro de la invest investiga igació ción n es frecue frecuente nte el uso para, para, aislam aislamien iento to de crista cristaliz lizado ados, s, evalua evaluarr y caract caracteri erizar  zar  compuestos ópticamente activos, reacciones cinéticas, monitorización y cambios de concentración así como actividades. En el campo de el control de calidad y control de procesos la polarimetría se usa las mas diferentes ramas, como farmac farmacéut éutica ica (amino (aminoáci ácidos dos,, analgé analgésic sicos, os, cocaína cocaína,, dextro dextrosa, sa, codeín codeína, a, antibi antibióti óticos, cos,…) …) , alimen alimentac tación ión (carbohidra (carbohidratos, tos, glucosa, glucosa, maltosa, maltosa, monosacári monosacáridos dos naturales) naturales),, química química (biopolím (biopolímeros, eros, polímeros polímeros sintéticos sintéticos,, polímeros naturales…), etc.

REFRACTROMETRÍA La refractometría es un método ideal cuando se precisa un procedimiento de análisis rápido, fiable y respetuoso con el medio ambiente para determinar la densidad de líquidos y su grado de pureza o de concentración. Como refractometría se entiende la medición del índice de refracción del fluido. La medición es independiente de las burbujas de gas, la turbiedad o el color. No se requiere un caudal mínimo. Por lo general los refractómetros se usan para supervisar o regular una concentración o para el control de calidad. En el laboratorio el refractómetro es un instrumento muy conocido. Ahí se viene usando p.ej. para controles de calidad por toma de muestras. A diferencia de los refractómetros comúnmente utilizados que miden el ángulo límite, los refractómetros miden según el acreditado principio de la luz transmitida o pasante. Con este procedimiento la totalidad de la corriente de prueba 2 3

http://www.bs-ltd.com/ge http://www.bs-ltd.com/general_pdfs/P001E. neral_pdfs/P001E.pdf  pdf  http://www.fquim.unam. http://www.fquim.unam.mx/sitio/usai_infr mx/sitio/usai_infra.asp a.asp

es atravesada por el haz de medición para obtener el resultado de medición. La medición no está sujeta a deriva alguna y se alcanza una resolución que ofrece un factor 10 veces mayor a los procedimientos convencionales4. El refractómetro

El refractómetro es un aparato que nos permite medir de un modo sencillo y directo, sin necesidad de ningún tipo de cálculo, el índice de refracción de un fluido. Esquema del Refractómetro

Un refractómetro es un instrumento óptico manual, que puede ser utilizado para medir la concentración de la mezcla de los fluidos para trabajo de metales. El refractómetro proporciona una lectur lectura a numéri numérica ca median mediante te la medici medición ón del índice índice de refr refrac acci ción ón.. Esto Esto perm permit ite e al oper operad ador or moni monito tore rear ar la concentración de la mezcla. Calibración

Es necesaria una calibración adecuada del refractómetro para obtener una medida adecuada del índice de refracción. Antes de cal calibra ibrarr el inst instru rum ment ento, aseg asegur urar arse se de que que el refractómetro, el agua y la muestra del fluido están a temperatura ambiente, ya que una calibración adecuada depende de la temperatura. El procedimiento es el siguiente: Colocar una gota de agua entre la cubierta de plástico (6) y el prisma (7). Mantener el refractómetro horizontalmente y apuntar a una fuente de luz. Observar en el ocular (1) y ajustar la perilla de calibración de la escala (4) hasta que la línea límite, que separa las áreas claras y oscuras de la escala, se encuentre colocado en el cero sobre la escala 5.

Refractómetro de ángulo límite

El campo del ocular del refractómetro de ángulo límite, está dividido en dos partes, siendo una de ellas iluminada y la otra sin iluminación. La separación que hay entre dichas partes corresponde al ra yo límite. La luz pasa a través de una capa delgada de la muestra de la que queremos hallar el índice de refracción, y entra en el prisma de refracción P 2. El prisma P 1 sirve para que pase la mayor cantidad de luz posible por la muestra). La radiación que únicamente roza la superficie del prisma P 2 difícilmente penetra en el prisma, y cuando entra, forma un ángulo Φ c con la línea perpendicular a su superficie. Dicho ángulo Φ c se denomina ángulo límite para ese rayo límite, y su valor depende de la longitud de onda utilizada y de los índices de refracción de la muestra "n", y del prisma de refracción np. Ningún rayo puede formar un ángulo superior al ángulo límite Φ c, ya que la fuente de tales rayos sería incapaz incapaz de penetrar en el prisma (el ra yo límite es el más tangencial que entra en el prisma). Por este motivo, todos los rayos de luz que penetran en el prisma P 2, forman un ángulo mayor con la superficie que el rayo límite, y por lo tanto iluminarán iluminarán la zona de la derecha derecha en el ocular. ocular. La zona de la izquierda izquierda permanece permanece oscura debido debido a que no existen existen rayos que se refracten con un ángulo superior al del ra yo límite.

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El refractómetro está compuesto por un filtro interferencial que sólo deja pasar la luz para la cual la longitud de onda es la correspondiente al amarillo del sodio (zona intermedia del espectro visible). Este refractómetro nos permite medir índices de refracción en un intervalo de 1,3 a 1,8, que es el intervalo en el cual se encuentra el índice de muchas sustancias. En la figura se ve la disposición del prisma, y del campo de imagen en un refractómetro de este tipo. El grosor de la muestra no es tan grande, en realidad suele ser de 0,1mm aproximadamente 6.

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