Polarimetría: fundamento, tipos, aplicaciones, ventajas y desventajas
La polarimetría mide la rotación que un haz de luz polarizada experimenta cuando atraviesa una sustancia ópticamente activa que puede ser un cristal (por ejemplo turmalina) o bien una solución de azúcar.
Se trata de una técnica sencilla, perteneciente a los métodos ópticos de análisis y con numerosas aplicaciones, sobre todo en la industria química y agroalimentaria para determinar la concentración de soluciones azucaradas.
Índice del artículo
- 1 Fundamento
- 2 Tipos de polarímetro
- 3 Funcionamiento y partes
- 4 Ventajas y desventajas
- 5 Aplicaciones
- 6 Referencias
El fundamento físico de esta técnica reside en las propiedades de la luz como onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico y otro magnético desplazándose en direcciones mutuamente perpendiculares.
Las ondas electromagnéticas son transversales, lo que significa que estos campos a su vez, se propagan en la dirección perpendicular a ellos, según la figura 2.
Sin embargo, como el campo está compuesto por numerosos trenes de ondas que proceden de cada átomo, y cada uno está oscilando en direcciones distintas, la luz natural o la que viene de una bombilla incandescente no está polarizada.
En cambio, cuando las oscilaciones del campo ocurren en una dirección preferencial, se dice que la luz está polarizada. Esto se puede lograr dejando pasar el haz luminoso a través de ciertas sustancias capaces de bloquear las componentes no deseadas y permitiendo solo que lo traspase una en especial.
Si además la onda luminosa consiste de una sola longitud de onda, se tiene un haz monocromático polarizado linealmente.
Los materiales que actúan como filtros para lograr esto se denominan polarizadores o analizadores. Y hay sustancias que responden a la luz polarizada, haciendo rotar el plano de la polarización. Se las conoce como sustancias ópticamente activas, por ejemplo los azúcares.
En general, los polarímetros pueden ser: manuales, automáticos y semiautomáticos y digitales.
Los polarímetros manuales se utilizan en laboratorios de docencia y en laboratorios pequeños, mientras que los automáticos se prefieren cuando se requiere tomar una gran cantidad de medidas, ya que minimizan el tiempo empleado en la medición.
Los modelos automáticos y digitales vienen con detector fotoeléctrico, un sensor que emite una respuesta al cambio de la luz y eleva muchísimo la precisión de las medidas. Además están los que ofrecen la lectura en una pantalla digital, siendo muy fáciles de operar.
Para ilustrar el funcionamiento general de un polarímetro, seguidamente se describe uno de tipo óptico manual.
Un polarímetro básico hace uso de dos prismas de Nicol o bien láminas de polaroid, en medio de los cuales se ubica la sustancia ópticamente activa que se quiere analizar.
William Nicol (1768-1851) fue un físico escocés que dedicó buena parte de su carrera a la instrumentación. Utilizando un cristal de calcita o espato de Islandia, mineral capaz de desdoblar un rayo de luz incidente, Nicol creó en 1828 un prisma con el que se podía obtener luz polarizada. Se utilizó ampliamente en la construcción de polarímetros.
Las partes principales de un polarímetro son:
– La fuente de luz. Generalmente una lámpara de vapor de sodio, tungsteno o mercurio, cuya longitud de onda se conoce.
– Polarizadores. Los modelos antiguos usaban prismas de Nicol, en cambio los más modernos suelen emplear láminas polaroid, hechas de moléculas de hidrocarburos de cadena larga con átomos de yodo.
– Un portamuestras. Donde se coloca la sustancia a analizar, cuya longitud es variable, pero conocida con exactitud.
– Un ocular e indicadores provistos de escalas con nonios. Para que el observador mida con precisión el poder de rotación de la muestra. Los modelos automáticos disponen de sensores fotoeléctricos.
– Adicionalmente indicadores de temperatura y longitud de onda. Ya que el poder de rotación de muchas sustancias depende de estos parámetros.
En el procedimiento descrito hay un pequeño inconveniente a la hora de que el observador ajuste el mínimo de luz, ya que el ojo humano no es capaz de detectar variaciones muy pequeñas de luminosidad.
Para subsanar este problema, el polarímetro de Laurent añade una semi-lámina retardadora de media longitud de onda, hecha de material birrefringente.
De esta forma, el observador dispone en el visor de dos o tres regiones adyacentes de distinta luminosidad, llamadas campos. Así es más fácil para el ojo distinguir niveles de luminosidad.
Se tiene la medida más precisa cuando el analizador se gira de tal modo que todos los campos se vean igualmente tenues.
La ley de Biot relaciona el poder rotatorio α de una sustancia ópticamente activa, medido en grados sexagesimales, con la concentración c de dicha sustancia –cuando se trata de una solución- y la geometría del sistema óptico.
Por eso se hizo hincapié en la descripción del polarímetro, en que los valores de la longitud de onda de la luz y la del portamuestra tenían que ser conocidos.
La constante de proporcionalidad se denota [α] y se llama poder rotatorio específico de la solución. Depende de la longitud de onda λ de la luz incidente y la temperatura T de la muestra. Los valores de [α] suelen estar tabulados a 20 ºC para la luz de sodio, específicamente, cuya longitud de onda es 589,3 nm.
Según el tipo de compuesto a analizar, la ley de Biot adopta diferentes maneras:
– Sólidos ópticamente activos: α = [α].ℓ
– Líquidos puros: α = [α]. ℓ.ρ
– Soluciones con solutos que tienen actividad óptica: α = [α]. ℓ.c
– Muestras con varios componentes ópticamente activos: ∑αi
Con las siguientes magnitudes adicionales y sus unidades:
– Longitud del porta-muestras: ℓ (en mm para sólidos y dm para líquidos)
– Densidad de los líquidos: ρ (en g/ml)
– Concentración: c (en g/ml o molaridad)
Los polarímetros son instrumentos de laboratorio muy útiles en diversas áreas y cada tipo de polarímetro presenta ventajas de acuerdo al uso que se le vaya a dar.
Una gran ventaja de la técnica en sí, es que se trata de una prueba no destructiva, apropiada a la hora de analizar muestras caras, valiosas o que por algún motivo no puedan duplicarse. Sin embargo, la polarimetría no es aplicable a cualquier sustancia, solamente a aquellas que tengan actividad óptica o sustancia quirales, como también se las conoce.
También ese necesario considerar que la presencia de impurezas introduce errores en los resultados.
El ángulo de rotación que produce la sustancia analizada está en consonancia con sus características: el tipo de molécula, la concentración de la solución y hasta el solvente utilizado. Para obtener todos estos datos, hay que conocer con exactitud la longitud de onda de la luz utilizada, la temperatura y la longitud del recipiente porta-muestras.
La precisión con que se desea analizar la muestra es determinante a la hora de escoger un equipo apropiado. Y su costo también.
– Suelen ser más económicos, aunque hay versiones digitales de bajo costo también. En cuanto a esto hay mucha oferta.
– Son adecuados para ser usados en laboratorios de enseñanza y como entrenamiento, porque ayudan a que el operador se familiarice con los aspectos teóricos y prácticos de la técnica.
– Casi siempre son de bajo mantenimiento.
– Son resistentes y duraderos.
– La lectura de la medida es un poco más laboriosa, sobre todo si la sustancia a analizar es de bajo poder rotatorio, por ello el operario suele ser personal especializado.
– Son de fácil manipulación y lectura, no requieren de personal especializado para su operación.
– El polarímetro digital puede exportar los datos a la impresora o el dispositivo de almacenamiento.
– Los polarímetros automáticos requieren menor tiempo de medida (alrededor de 1 segundo).
– Tienen opciones para medir por intervalos.
– El detector fotoeléctrico permite analizar sustancias con bajo poder rotatorio.
– Controlan eficientemente la temperatura, el parámetro que más influye en la medición.
– Algunos modelos son costosos.
– Requieren mantenimiento.
La polarimetría tiene un gran número de aplicaciones, como se dijo al comienzo. Las áreas son diversas y los compuestos a analizar pueden ser orgánicos e inorgánicos también. Están son algunas de ellas:
– En el control de calidad farmacéutico, ayudando a determinar que las sustancias empleadas en la fabricación de los medicamentos tengan la concentración y la pureza adecuada.
– Para el control de calidad de la industria de los alimentos, analizando la pureza del azúcar, así como su contenido en bebidas y golosinas. A los polarímetros usados de esta forma se les llama también sacarímetros y emplean una escala particular, diferente a la que se usa en otras aplicaciones: la escala ºZ.
– También en la tecnología de alimentos se usa para hallar el contenido de almidón de una muestra.
– En astrofísica, la polarimetría se emplea para analizar la polarización de la luz en las estrellas y el estudio de los campos magnéticos presentes en entornos astronómicos y su papel en la dinámica estelar.
– La polarimetría es útil en la detección de enfermedades de la vista.
– En dispositivos de teledetección satelital para la observación de barcos en alta mar, zonas de contaminación en medio del océano o en tierra, gracias a la toma de imágenes con alto contraste.
– La industria química utiliza la polarimetría para distinguir entre isómeros ópticos. Estas sustancias tienen idénticas propiedades químicas, ya que sus moléculas tienen igual composición y estructura, pero una es imagen especular de la otra.
Los isómeros ópticos difieren en la manera en cómo polarizan la luz (enantiómeros): un isómero lo hace a la izquierda (levógiro) y el otro a la derecha (dextrógiro), siempre desde el punto de vista del observador.
- AGS Analítica. ¿Para qué sirve un polarímetro?. Recuperado de: agsanalitica.com.
- Chang, R. Química. 2013. Undécima edición. McGraw Hill.
- Gavira, J. Polarimetría. Recuperado de: triplenlace.com.
- Instrumentos Científicos. Polarímetros. Recuperado de: uv.es.
- Universidad Politécnica de Valencia. Aplicación de la polarimetría a la
determinación de la pureza de un azúcar. Recuperado de: riunet.upv.es.