Presentación

Justificación

El presente trabajo es realizado por el interés que genera la información básica de los materiales e instrumentos que son usados en el laboratorio, su aplicación, funcionamiento y en algunos casos historia. Actualmente, se desconoce en algunos casos la existencia de alguno de éstos materiales o su correcta aplicación. Es por esto que se recaba información completa y de confianza de ambos.

Éste documento, además de contener información básica de ambos instrumentos, tiene información relacionada a los estudios que pueden llevarse a cabo y sirve también como una introducción al concepto de polarimetría. Es una herramienta para alumnos del área analítica y docentes de la misma.

Los resultados de ésta investigación son basados en el polarímetro electrónico de modelo POLAX-2L (de la marca ATAGO); por lo que en algunos modelos cambiarán un poco las indicaciones de uso.

Objetivos

Objetivo general

• Estudiar información relacionada al Polarímetro y sus aplicaciones.

Objetivo específicos

•      Estudiar conceptos básicos de polarimetría
•      Estudiar uso, mantenimiento y composición del Polarímetro 

Hipótesis

El polarímetro es un instrumento de laboratorio utilizado en la determinación de azúcares en sustancias ópticamente activas, basado en la polaridad (capacidad de rotar la luz) de cada sustancia. 

Resumen

Resumen

La polarimetría es la medición del cambio de dirección de la luz polarizada en la que ésta interactúa con sustancias ópticamente activas; es una ciencia muy antigua que actualmente es sumamente útil para distintos procedimientos experimentales.

La luz polarizada es la luz que es dirigida hacia una misma dirección; tomando en cuenta que la luz es un gran número de ondas electromagnéticas con todas las direcciones posibles.  Las sustancias capaces de cambiar de dirección estas ondas son sustancias ópticamente activas; las sustancias que la hacen girar a la derecha son “dextrógiras” y a la izquierda son “levógiras”.

Los polarímetros son aparatos que sirven para medir el ángulo de rotación del plano de polarización de un rayo luminoso que atraviesa sustancias ópticamente activas, existen dos tipos de polarímetros: los polarímetros electrónicos y los no electrónicos.

Antecedentes

En 1808 Étienne Louis Malus descubrió la polarización por reflexión, y sus observaciones atrajeron el interés de varios científicos prominentes de su época como François Arago, David Brewster y Augustin Fresnel. En 1820 Fresnel, que asumía que la luz era una onda transversal, elaboraba una teoría matemática de la polarización.

Si bien el fenómeno aparece ya descrito en trabajos de Cristian Huygens sólo fue estudiado a fondo en el siglo XIX, gracias a las investigaciones de autores como el francés Jean Baptiste Biot( 1774-1862) o el alemán Thomas Johann Seebeck (1770-1831). Estos analizaron no sólo los ya conocidos efectos producidos por sólidos cristalinos como el espato de Islandia, si no también el comportamiento de disoluciones de ciertas sustancias de origen vegetal y animal. Biot encargó al constructor de instrumentos Nicolas Fortin (1750-1831)un sencillo aparato que consistía en un prisma analizador y un tubo cilíndrico para introducir la muestra analizada, a través del que pasaba la luz polarizada. Biot pudo comprobar que ciertas sustancias de origen natural como “el aceite esencial del laurel” hacían “girar la luz de derecha a izquierda, al igual que la trementina” mientras que, por el contrario, “el aceite esencial del limón y la disolución de alcanfor en alcohol” lo hacían “de izquierda a derecha”. Más adelante, las primeras sustancias  fueron denominadas “levógiras” y las segundas “dextrógiras”.

El primer polarímetro (o polariscopio) tenía espejos no metálicos ajustables para polarizar y analizar la luz; William Nicol fabricó el primer prisma polarizador en 1828. En las siguientes décadas el aparato fue mejorando a base de mejores prismas y elementos ópticos que permitían una medida más precisa de los ángulos. 

Los polarímetros de Jean-Baptiste-François Soleil (que ya incluía una cuña de cuarzo compensadora), el de media sombra de Léon Laurent o el polaristrobómetro de Heinrich Wild (que mide la rotación usando patrones de interferencia) fueron los que tuvieron más éxito.

A lo largo del siglo XIX los polarímetros demostraron ser tremendamente útiles como herramientas de análisis y control en investigación química, cristalográfica, biológica, médica, más tarde, astrofísica, además de un instrumentos imprescindible en las industrias química, farmacéutica y alimentaria. Los sacarímetros, un tipo de especial de polarímetro, permitían tener una método rápido para medir la concentración de azúcar en las disoluciones.

En los años treinta del siglo XX los detectores fotoeléctricos comenzaron a sustituir a la observación ocular. Al mismo tiempo Edwin Lland desarrollaba los filtros y láminas polarizadores (Polaroid).

Más recientemente la física nuclear y de altas energías ha hecho uso de aparatos polarimétricos especiales, al igual que la investigación astrofísica.

Una de las primeras marcas en distribuir polarímetros es "Franz Schmidt & Haensch, Berlin". Se trata de una firma destinada a la fabricación de instrumentos de investigación científica, fundada en 1864 por el mecánico Franz Schmidt y el óptico Herrmann Haensch. Los emprendedores comenzaron el negocio en abril de ese año, tras recibir una herencia que les permitió contar con el capital inicial. La empresa todavía continúa en activo en Berlín, Alemania, siendo todo un referente dentro de su campo y dirigida por los miembros de la quinta generación familiar.

Marco Teórico

Polarimetría

La polarimetría, osea la medición del cambio de la dirección de vibración de la luz polarizada cuando interactúa con materiales ópticamente activos, es uno de los procedimientos instrumentales más antiguos. muchos trabajos sobre el desarrollo de prismas y otros dispositivos para la producción de luz polarizada fueron hechos en la primera parte del siglo XIX. Un pequeño polarímetro burdo parece ser una simple pieza de un aparato, pero un polarímetro de precisión constituye un ejemplo de un equipo óptico complicado.

Teoría de la polarimetría

La luz común natural y sin reflejar, se comporta como si consistiera en un gran número de ondas electromagnéticas vibrando en todas direcciones posibles, alrededor de la dirección de la prolongación. Si por algún medio se separan de la conglomeración natural sólo aquellos rayos vibrando en un plano particular, se obtiene entonces luz polarizada plana. Desde luego, y puesto que una onda de luz consta de un componente eléctrico y otro magnético vibrando a ángulos rectos entre sí, el término "plano" puede no ser muy descriptivo, pero se puede considerar que el rayo es plano al tomar en cuenta únicamente la dirección del componente eléctrico. La luz polarizada circularmente representa una onda en la cual el componente eléctrico (y por lo tanto, también, el componente magnético) forma un espiral alrededor de la dirección de la prolongación del rayo, ya sea en el sentido de las manecillas del reloj ("diestro" o dextrógiro) o en sentido contrario ("siniestro" o levógiro).

Si, al analizar el paso de un rayo polarizado plano a través de un material, uno de los componentes circularmente polarizados pierde velocidad, el resultado será un rayo polarizado plano que habrá girado un poco hacia la derecha de su posición original. 

El índice de refracción, n, representa la relación de la velocidad de un rayo de luz en el vació, c, a la velocidad en un medio, v. Esto es,

Si una sustancia tiene índices de refracción diferentes para los componentes l y d de un rayo polarizado plano, esto quiere decir que uno de los rayos aminora su velocidad al pasar por en medio y que se producirá una rotación del plano de la polarización de la luz. Por lo tanto,

      

Polarimetría y rotación óptica

Muchos compuestos inorgánicos y orgánicos tienen la capacidad de hacer girar el plano de una fuente de radiación polarizada. Los materiales que muestran este comportamiento se llaman ópticamente activos. Algunos de los ejemplos más conocidos son el cuarzo y los azúcares mono y disacáridos, como la glucosa. Éstas sustancias pueden ser levógiras o dextrógiras.

El grado de rotación depende de la cantidad de átomos o moléculas en la trayectoria de la luz, y por consiguiente de la concentra c de una solución y la longitud del paso óptico l. También depende de la longitud de onda λ de la radiación y de la temperatura t.

La rotación específica, [a]^t, se define como la cantidad de rotación a, en grados, de un plano de luz polarizada a determinada longitud de onda a través de 1 dm (10 cm) de longitud de paso óptico, en una solución de concentración c (en g/cm³) a la temperatura t,

Las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz, presentan un plano de polarización inconfundible que está definido por el plano de los componentes de campo eléctricos. La así llamada luz no polarizada, natural, consiste en la superposición de una variedad de ondas individuales de diferentes polarizaciones. Solo a través de ciertos efectos físicos como, por ejemplo, el reflejo sobre una superficie no metálica, se pueden filtrar las ondas de un plano particular. Algunos insectos son capaces de percibir la luz polarizada, consiguiendo así una mayor capacidad a la hora de mirar a través de la superficie del agua. El hombre debe utilizar instrumentos físicos con el fin de poder observar los efectos de polarización.

Medición de la rotación óptica

La rotación exhibida por una sustancia ópticamente activa depende del espesor de la capa atravesada por la luz, de la longitud de onda de la luz empleada para la medición, y de la temperatura. Si la sustancia medida es una solución, entonces también está involucrada la concentración del material ópticamente activo, y la naturaleza del disolvente también puede ser importante. Hay ciertas sustancias que cambian su rotación con el tiempo. Algunas son sustancias que pasan de una estructura a otra con un poder rotatorio. Estas sustancias se dice que muestran una mutarrotación. La mutarrotación es común en los azúcares. Otras sustancias, debido a enlaces débiles dentro de las moléculas, pueden girar de tal manera como para volverse simétricas y así pierden su poder rotatorio. Estas sustancias se dice que muestran una racemización. La mutarrotación y la racemización no sólo están influidas por el tiempo, sino también por el pH, la temperatura y otros factores. Por lo tanto, es muy importante, al expresar los resultados de cualquier medición polarimétrica, que se incluyan todas las condiciones experimentales.

Los resultados de las mediciones polarimétricas se reducen a una serie de condiciones normales. La longitud empleada como normal es de 10 cm para líquidos y 1 mm para sólidos. La longitud de onda normal es la de la línea verde del mercurio (5 461 Å), aunque el doblete de sodio (5 890 Å + 5 896 Å) ha sido ampliamente utilizado, con especialidad en las mediciones antiguas. La temperatura normal es de 20 ºC.

Para propósitos analíticos, el principal interés en la polarimetría consiste en determinar la concentración de las sustancias, a algunas de que se ha encontrado abundantes correlaciones entre la rotación y la estructura química. Desgraciadamente, la relación entre la rotación y la concentración de una solución no es estrictamente lineal, de modo que la rotación específica de una solución no es una constante.

Al expresar el valor de [a] debe especificarse la concentración de la medición. Pueden emplearse los valores de la rotación específica extrapolados a dilución infinita.

La relación entre [a] y la concentración, generalmente puede expresarse con una de las tres ecuaciones propuestas por Biot.

Polarímetro

El polarímetro consiste de las siguientes partes básicas:

1. Una fuente de luz.(Con frecuencia se escoge una lámpara de vapor de sodio como fuente de radiación, con una emisión a 589.3 nm, que corresponde a la línea D de emisión de sodio).
   
   
   
   
2. Un polarizador.
3. Un analizador.
4. Un círculo graduado para medir el grado de rotación.
5. Tubos para muestras.

Esquema de un polarímetro

Excepto en los instrumentos más sencillos, también se incluye un aparato de penumbra. Algunos polarímetros pueden estar equipados con fotoceldas u otros dispositivos para la medición de la intensidad de la luz que emerge del instrumento, aunque la mayoría de los polarímetros están diseñados para observación  visual.

Las fuentes de luz más comunes para la polarimetría son las lámparas de vapor de sodio y las lámparas de vapor de mercurio. La lámpara de sodio emite luz de longitud de onda de 5 890 Å y 5 896Å más un pequeño fondo continuo que puede eliminarse en gran parte por medio de un filtro de dicromato de potasio al 7%, empleado en una capa de 6cm de grueso. La lámpara de mercurio emite luz de varias longitudes de onda, estando las líneas visibles prominentes a 4358, 4916, 5461, 5770 y 5791 Å. Cada línea puede aislarse por medio de una selección adecuada de filtros. Si se puede emplear una fuente de luz continua, entonces es posible usar la luz de día ordinaria o una lámpara de filamento de tungsteno. 

El polarizador (y analizador) pueden ser de diversos tipos. Uno de ellos consiste de un cristal, generalmente de calcita o cuarzo, cortado en forma diagonal a un ángulo tal que uno de los componentes de la luz sea totalmente reflejado. El segundo componente pasa a través de la otra mitad del cristal y emerge en la misma dirección que la del haz original. Las dos mitades del prisma adheridas por medio de un cemento que posee un índice de refracción tan próximo como sea posible a 1.4865, que es el valor de n_e, el índice de refracción de la calcita a ángulos rectos con este rayo es de n₀=1.6584

Se puede medir la rotación óptica, en el caso más común, con un polarímetro automático.

Polarímetro automatizado

La luz debe ser: a) monocromática, b) polarizada y c) enfocada de tal modo que toda viaja en la misma dirección. L a luz se origina en una fuente de luz blanca a, en el caso más común, se puede generar con una fuente monocromática como por ejemplo con una lámpara de sodio. A continuación, la luz pasa por un colimador y después a un prisma de calcita para producir el haz de luz plano-polarizada enfocado. A veces se usa un prisma auxiliar de calcita.

Tipos de polarímetros

·         Los polarímetros, aparatos que sirven para medir el ángulo de rotación del plano de polarización de un rayo luminoso que atraviesa sustancias ópticamente activas, es decir, dotadas de poder rotatorio. Llevan esencialmente una fuente luminosa, un sistema óptico con prismas polarizador y analizador, un portatubos para contener la sustancia, un anteojo de observación y un tambor de medida.

·     Los polarímetros electrónicos llevan además de los elementos ópticos esenciales de un polarímetro clásico, una célula fotoeléctrica.

Empleando un polarímetro

Funcionamiento

La luz introducida es polarizada  en un plano determinado mediante el polarizador y luego se hace pasar a través de la disolución de la sustancia que se pretende analizar. A continuación, esta luz pasa por un nuevo polarizador que deberá estar colocado en la posición adecuada para permitir el paso de la luz hasta el objetivo, para lo cual se dispone de un sistema que permite girarlo alrededor de un eje.

Gracias a la lente, se puede leer en el círculo el ángulo que es necesario girar el segundo polarizador para obtener un máximo de intensidad luminosa. Si se mide este ángulo cuando el recipiente está vacío y cuando el recipiente está lleno con una sustancia ópticamente activa, la diferencia entre ambos valores permite calcular el poder rotatorio de la disolución.

Modo De Empleo

Se asegurará que está en una zona con una conexión estable de 100V a 240 V (en caso de ser automático).

No utilizarlo con las manos mojadas o si el cable está roto.

Elegir el tubo con el mejor trabaje el polarímetro usado, deberá estar limpio y seco. Siempre es preferible el de la longitud del carril, aunque puede utilizarse uno de menor longitud. Para llenar el tubo deberá formarse un menisco convexo, el cual se tapará deslizando con el vidrio de cubierta. Cualquier burbuja se localizará en la trampa de aire.

Calibración

Apagar el polarímetro.

Colocar el tubo con agua destilada en el centro del carril del polarímetro. Encenderlo y asegurarse de que la lectura arrojada es cero, de no serlo, ajustarlo con los botones izquierda o derecha (o girar la regleta en caso de ser manual) hasta obtener un color igual en ambos lados del círculo.

Cuando el semicírculo derecho es más claro hay que presionar el botón rotar a la derecha para aclarar el lado izquierdo.

Cuando el semicírculo izquierdo es más claro hay que presionar el botón rotar a la izquierda para aclarar el lado derecho.

Una vez que el círculo es del mismo color completamente presionar el botón “zero set”. El polarímetro está calibrado.

Procedimiento Operativo

Es importante utilizar el polarímetro con el equipo de seguridad adecuado (guantes, bata y mascarilla de ser necesario, debido a las sustancias utilizadas).

NOTA: Es necesario calibrar el polarímetro cada que se enciende.

Antes de utilizar un polarímetro automático asegurarse de que el indicador esté en la posición correcta. Si está a la derecha indica el contenido de azúcar en la escala internacional de azúcar, si está a la izquierda indica el ángulo de rotación.

1.       Poner un tubo de análisis en el centro del riel del polarímetro.

2.       Observar el campo a través del ocular. El campo circular puede verse de distintas maneras. Ajustarlo dependiendo de la posición que adquiera de la misma manera en que se calibró. Una vez que esté homogéneo el color, esa lectura será la del ángulo de rotación (o la escala internacional de azúcar) de la muestra.

En caso de ser difícil de encontrar el punto correcto presionar el botón “Shift/Temp” al tiempo que se presiona el botón de rotación para aproximarse al punto que es correcto o acertado, una vez que se acerque tratar de estabilizarlo a la derecha o hacia la izquierda.

En el polarímetro automatizado para leer la temperatura es necesario presionar por dos segundos el botón “SHIFT/TEMP” y la temperatura aparecerá en la pantalla en grados centígrados.

Lectura e interpretación de resultados

Cuando se sabe la rotación específica de la sustancia la concentración del material ópticamente activo puede encontrarse con la siguiente ecuación:

Dónde:  
C=Concentración de la sustancia ópticamente activa

α=Medición del ángulo de rotación

l=Longitud del tubo de análisis (dm)

[α]= rotación específica

t= temperatura

D= longitud de onda a la cual trabaja la luz del polarímetro (POLAX-2L=586 nm)         

Para encontrar la rotación específica se puede despejar esta fórmula.

En caso de ser un líquido puro se utilizará la densidad del mismo.

                                      d=densidad de la muestra.

Manejo del polarímetro electrónico POLAX-2L (Antago)

Manejo de un Polarímetro Electrónico

Referencias

Referencias

Ávila Carhuallanqui , G. M. (2008). Polarimetría. Obtenido de Scribd: https://es.scribd.com/doc/33432223/Infor-de-Polarimetros-Finally#scribd

Aznar, J. P. (20 de Mayo de 2016). Importante Polarímetro Franz Schmidt & Haensch Con Trípode. Alemania, Finales S. XIX. Obtenido de Art & Antiques: http://www.antiguedadestecnicas.com/productos/A-996.php

Higson, S., & Balderas, P. (2007). Química Analítica. India: Mc Graw Hill.

Instrumentos y Aparatos para Análisis Fisicoquímicos. (2007 de Julio de 2007). Obtenido de Aduanas México: http://www.aduanas-mexico.com.mx/cgi-bin/ctarnet/notas_ex/not_9027.html

Tomé López, C. (26 de Mayo de 2015). El omnipresente Polarímetro. Obtenido de Cuaderno de Cultura Científica: http://culturacientifica.com/2015/05/26/el-omnipresente-polarimetro/

Willard, H. H., Merritt, L. L., & Dean, J. A. (1981). Métodos Instrumentales de Análisis. España: Compañía Editorial Continental.