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.