POLARIMETRE: MANTIK, TÜRLER, UYGULAMALAR, AVANTAJLAR VE DEZAVANTAJLAR - KIMYA - 2025

Polarimetre zaman, polarize ışık ışını maruz dönmesini ölçen bu bir bardak olabilen optik açıdan aktif bir madde (örneğin, turmalin) veya bir şeker solüsyonu geçer.

Optik analiz yöntemlerine ait basit bir tekniktir ve özellikle kimya ve tarım-gıda endüstrisinde şekerli çözeltilerin konsantrasyonunu belirlemek için çok sayıda uygulama vardır.

Şekil 1. Dijital otomatik polarimetre. Kaynak: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

temel

Bu tekniğin fiziksel temeli, bir elektrik alanı ve karşılıklı olarak dik yönlerde hareket eden bir manyetik alandan oluşan elektromanyetik bir dalga olarak ışığın özelliklerine dayanır.

Elektromanyetik dalgalar çaprazdır, bu da şekil 2'ye göre bu alanların kendilerine dik yönde yayıldığı anlamına gelir.

Bununla birlikte, alan her atomdan gelen çok sayıda dalga dizisinden oluştuğu ve her biri farklı yönlerde salınım yaptığı için, doğal ışık veya akkor ampulden gelen ışık polarize değildir.

Aksine, alanın salınımları tercihli bir yönde meydana geldiğinde, ışığın polarize olduğu söylenir. Bu, ışık demetinin istenmeyen bileşenleri bloke edebilen ve özellikle yalnızca birinin geçmesine izin verebilen belirli maddelerden geçmesine izin verilerek başarılabilir.

Şekil 2. x ekseni boyunca yayılan bir elektromanyetik alanın animasyonu. Kaynak: Wikimedia Commons. And1mu.

Ek olarak, ışık dalgası tek bir dalga boyundan oluşuyorsa, doğrusal olarak polarize edilmiş tek renkli bir ışınımız olur.

Bunu gerçekleştirmek için filtre görevi gören malzemelere polarizörler veya analizörler denir. Ve polarize ışığa tepki veren, polarizasyon düzlemini döndüren maddeler var. Optik olarak aktif maddeler olarak bilinirler, örneğin şekerler.

Polarimetre türleri

Genel olarak polarimetreler manuel, otomatik ve yarı otomatik ve dijital olabilir.

Kılavuzlar

Manuel polarimetreler, eğitim laboratuvarlarında ve küçük laboratuvarlarda kullanılırken, çok sayıda ölçüm gerektiğinde otomatik olanlar tercih edilir, çünkü ölçüm için harcanan zamanı en aza indirirler.

Otomatik ve dijital

Otomatik ve dijital modeller, ışık değişimine tepki veren ve ölçümlerin hassasiyetini büyük ölçüde artıran bir sensör olan bir fotoelektrik detektörle birlikte gelir. Ayrıca, kullanımı çok kolay olan dijital ekranda okuma imkanı sunanlar da var.

Bir polarimetrenin genel işleyişini göstermek için, aşağıda manuel bir optik tip açıklanmaktadır.

Operasyon ve parçalar

Temel bir polarimetre, aralarına analiz edilecek optik olarak aktif maddenin yerleştirildiği iki Nicol prizması veya Polaroid tabakası kullanır.

William Nicol (1768-1851), kariyerinin çoğunu enstrümantasyona adamış İskoç bir fizikçiydi. Nicol, bir kalsit kristali veya bir gelen ışık demetini ayırabilen bir mineral olan İzlanda sparını kullanarak, 1828'de polarize ışığın elde edilebileceği bir prizma yarattı. Polarimetrelerin yapımında yaygın olarak kullanılmıştır.

Şekil 4. Çift kırılmalı kalsit kristali. Kaynak: Wikimedia Commons. APN MJM.

Bir polarimetrenin ana parçaları şunlardır:

- Işık kaynağı. Genellikle dalga boyu bilinen bir sodyum, tungsten veya cıva buharlı lambası.

- Polarizörler. Eski modellerde Nicol prizmaları kullanılırken, daha modern modeller genellikle iyot atomlu uzun zincirli hidrokarbon moleküllerinden yapılmış Polaroid tabakaları kullanır.

- Numune tutucu. Analiz edilecek maddenin yerleştirildiği, uzunluğu değişken olan, ancak tam olarak bilinen madde.

- Sürmeli ölçeklerle sağlanan bir göz merceği ve göstergeler. Gözlemcinin numunenin dönme gücünü doğru bir şekilde ölçmesi için. Otomatik modellerde fotoelektrik sensörler bulunur.

- Ek olarak, sıcaklık ve dalga boyu göstergeleri. Çünkü birçok maddenin dönme gücü bu parametrelere bağlıdır.

Şekil 5. Manuel bir polarimetrenin şeması. Kaynak: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimetre

Açıklanan prosedürde, gözlemci minimum ışığı ayarladığında küçük bir dezavantaj vardır, çünkü insan gözü parlaklıktaki çok küçük değişiklikleri tespit edemez.

Laurent polarimetre, bu sorunu çözmek için çift kırılımlı malzemeden yapılmış yarım dalga boyunu geciktiren yarım levha ekler.

Bu şekilde, gözlemci, izleyicide alanlar olarak adlandırılan farklı parlaklığa sahip iki veya üç bitişik bölgeye sahip olur. Bu, gözün ışık seviyelerini ayırt etmesini kolaylaştırır.

Analizör, tüm alanlar eşit derecede loş olacak şekilde döndürüldüğünde en doğru ölçüme sahip olursunuz.

Şekil 6. Polarimetrenin manuel okunması. Kaynak: F. Zapata.

Biot Yasası

Biot yasası, altmışlık derecelerde ölçülen optik olarak aktif bir maddenin dönme gücünü α, söz konusu maddenin konsantrasyonu c ile -bir çözüm olduğunda- ve optik sistemin geometrisiyle ilişkilendirir.

Bu nedenle, polarimetrenin açıklamasında ışığın ve numune tutucunun dalga boyu değerlerinin bilinmesi gerektiğine vurgu yapılmıştır.

Orantılılık sabiti gösterilir ve çözümün belirli dönme gücü olarak adlandırılır. Gelen ışığın dalga boyuna λ ve numunenin sıcaklığına T bağlıdır. Değerleri genellikle dalga boyu 589,3 nm olan sodyum ışığı için 20 ° C'de tablo haline getirilir.

Analiz edilecek bileşiğin türüne bağlı olarak, Biot yasası farklı biçimler alır:

- Optik olarak aktif katılar: α = .ℓ

- Saf sıvılar: α =. ℓ.ρ

- Optik aktiviteye sahip çözünen maddeler içeren çözümler: α =. ℓ.c

- Birkaç optik olarak aktif bileşene sahip örnekler: ∑α _i

Aşağıdaki ek miktarlar ve birimleri ile:

- Numune tutucunun uzunluğu: ℓ (katılar için mm ve sıvılar için dm cinsinden)

- Sıvıların yoğunluğu: ρ (g / ml cinsinden)

- Konsantrasyon: c (g / ml veya molarite cinsinden)

Avantajlar ve dezavantajlar

Polarimetreler, çeşitli alanlarda çok kullanışlı laboratuvar cihazlarıdır ve her polarimetrenin kullanım amacına göre avantajları vardır.

Tekniğin büyük bir avantajı, tahribatsız bir test olması, pahalı, değerli örnekleri analiz ederken uygun olması veya herhangi bir nedenle kopyalanamamasıdır. Ancak polarimetri herhangi bir maddeye uygulanmaz, sadece optik aktiviteye sahip olanlar veya kiral maddeler için de bilindiği gibi uygulanabilir.

Ayrıca, safsızlıkların varlığının sonuçlarda hatalara yol açtığını da dikkate almak gerekir.

Analiz edilen maddenin ürettiği dönme açısı, özellikleri ile uyumludur: molekül tipi, çözeltinin konsantrasyonu ve hatta kullanılan çözücü. Tüm bu verileri elde etmek için kullanılan ışığın dalga boyunun, numune tutucu kabın sıcaklığının ve uzunluğunun tam olarak bilinmesi gerekir.

Numuneyi analiz etmek istediğiniz hassasiyet, uygun bir ekipman seçerken belirleyicidir. Ve maliyeti de.

Manuel polarimetrenin avantajları ve dezavantajları

- Düşük maliyetli dijital sürümler olmasına rağmen daha ucuz olma eğilimindedirler. Buna gelince, çok fazla teklif var.

- Operatörün tekniğin teorik ve pratik yönlerine aşina olmasına yardımcı olduklarından, öğretim laboratuvarlarında ve eğitim olarak kullanıma uygundurlar.

- Neredeyse her zaman az bakım gerektirirler.

- Dayanıklı ve uzun ömürlüdür.

- Ölçümü okumak biraz daha zahmetlidir, özellikle analiz edilecek madde düşük dönme gücüne sahipse, bu nedenle operatör genellikle uzman personeldir.

Otomatik ve dijital polarimetrelerin avantajları ve dezavantajları

- Kullanımı ve okunması kolaydır, çalışmaları için uzman personele ihtiyaç duymazlar.

- Dijital polarimetre, verileri yazıcıya veya depolama cihazına aktarabilir.

- Otomatik polarimetreler daha az ölçüm süresi gerektirir (yaklaşık 1 saniye).

- Aralıklarla ölçüm yapma seçenekleri vardır.

- Fotoelektrik dedektör, düşük dönme gücüne sahip maddelerin analiz edilmesini sağlar.

- Ölçümü en çok etkileyen parametre olan sıcaklığı verimli bir şekilde kontrol edin.

- Bazı modeller pahalıdır.

- Bakım gerektirirler.

Uygulamalar

Polarimetri, başta da belirtildiği gibi çok sayıda uygulamaya sahiptir. Alanlar çeşitlidir ve analiz edilecek bileşikler organik ve inorganik olabilir. Bunlardan bazıları:

- Farmasötik kalite kontrolde, ilaç üretiminde kullanılan maddelerin uygun konsantrasyon ve saflığa sahip olduğunun belirlenmesine yardımcı olur.

- Gıda endüstrisinin kalite kontrolü için şekerin saflığının yanı sıra içecek ve tatlılardaki içeriğinin analiz edilmesi. Bu şekilde kullanılan polarimetreler sakarimetreler olarak da adlandırılır ve diğer uygulamalarda kullanılandan farklı olarak belirli bir ölçek kullanır: ºZ ölçeği.

Şekil 7. Şarap ve meyve sularındaki şeker içeriğinin kalite kontrolü polarimetre ile yapılmaktadır. Kaynak: Pixabay.

- Gıda teknolojisinde de bir numunenin nişasta içeriğini bulmak için kullanılır.

- Astrofizikte polarimetri, yıldızlardaki ışığın polarizasyonunu analiz etmek ve astronomik ortamlarda bulunan manyetik alanları ve yıldız dinamiklerindeki rollerini incelemek için kullanılır.

- Polarimetri, göz hastalıklarının tespitinde faydalıdır.

- Yüksek kontrastlı görüntülerin alınması sayesinde, açık denizlerdeki gemilerin, okyanus ortasındaki veya karadaki kirlilik bölgelerinin gözlemlenmesi için uydudan uzaktan algılama cihazlarında.

- Kimya endüstrisi, optik izomerleri ayırt etmek için polarimetre kullanır. Bu maddeler, molekülleri aynı bileşime ve yapıya sahip olduğu için aynı kimyasal özelliklere sahiptir, ancak biri diğerinin ayna görüntüsüdür.

Optik izomerler ışığı polarize etme şekillerinde farklılık gösterir (enantiyomerler): bir izomer bunu her zaman gözlemcinin bakış açısından sola (solak) ve diğeri sağa (sağ el) yapar.

1. AGS Analitik. Polarimetre ne içindir? Agsanalitica.com adresinden kurtarıldı.
2. Chang, R. Kimya. 2013. Onbirinci baskı. McGraw Hill.
3. Gavira, J. Polarimetry. Triplenlace.com adresinden kurtarıldı.
4. Bilimsel aletler. Polarimetreler. Uv.es'den kurtarıldı.
5. Valencia Politeknik Üniversitesi.
   Bir şekerin saflığının belirlenmesinde polarimetri uygulaması . Kurtarıldı: riunet.upv.es.