POLARIMETRIE: GRÜNDE, TYPEN, ANWENDUNGEN, VOR- UND NACHTEILE - CHEMIE - 2025

Die Polarimetrie misst die Rotation eines polarisierten Lichtstrahls, der durchläuft, wenn er durch eine optisch aktive Substanz tritt, die ein Glas (z. B. Turmalin) oder eine Zuckerlösung sein kann.

Es ist eine einfache Technik, die zu den optischen Analysemethoden gehört und zahlreiche Anwendungen hat, insbesondere in der chemischen Industrie und in der Lebensmittelindustrie, um die Konzentration zuckerhaltiger Lösungen zu bestimmen.

Abbildung 1. Digitales automatisches Polarimeter. Quelle: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Basis

Die physikalische Grundlage dieser Technik liegt in den Eigenschaften des Lichts als elektromagnetische Welle, die aus einem elektrischen Feld und einem Magnetfeld besteht, die sich in senkrecht zueinander stehenden Richtungen bewegen.

Elektromagnetische Wellen sind transversal, was bedeutet, dass sich diese Felder gemäß Abbildung 2 wiederum in der Richtung senkrecht zu ihnen ausbreiten.

Da das Feld jedoch aus zahlreichen Wellenzügen besteht, die von jedem Atom kommen und in verschiedene Richtungen schwingen, ist natürliches Licht oder das von einer Glühbirne kommende Licht nicht polarisiert.

Wenn im Gegensatz dazu die Schwingungen des Feldes in einer Vorzugsrichtung auftreten, wird das Licht als polarisiert bezeichnet. Dies kann erreicht werden, indem der Lichtstrahl durch bestimmte Substanzen geleitet wird, die unerwünschte Komponenten blockieren können, und nur eine bestimmte durchgelassen wird.

Abbildung 2. Animation eines elektromagnetischen Feldes, das sich entlang der x-Achse ausbreitet. Quelle: Wikimedia Commons. And1mu.

Wenn die Lichtwelle zusätzlich aus einer einzelnen Wellenlänge besteht, haben wir einen linear polarisierten monochromatischen Strahl.

Materialien, die dazu als Filter dienen, werden als Polarisatoren oder Analysatoren bezeichnet. Und es gibt Substanzen, die auf polarisiertes Licht reagieren und die Polarisationsebene drehen. Sie sind als optisch aktive Substanzen bekannt, beispielsweise Zucker.

Arten von Polarimetern

Im Allgemeinen können Polarimeter sein: manuell, automatisch und halbautomatisch und digital.

Anleitungen

Manuelle Polarimeter werden in Lehrlabors und kleinen Labors verwendet, während automatische bevorzugt werden, wenn eine große Anzahl von Messungen erforderlich ist, da sie den Zeitaufwand für die Messung minimieren.

Automatisch und digital

Die automatischen und digitalen Modelle sind mit einem fotoelektrischen Detektor ausgestattet, einem Sensor, der auf Lichtwechsel reagiert und die Genauigkeit der Messungen erheblich erhöht. Es gibt auch solche, die das Lesen auf einem digitalen Bildschirm anbieten und sehr einfach zu bedienen sind.

Um die allgemeine Funktionsweise eines Polarimeters zu veranschaulichen, wird nachstehend ein manueller optischer Typ beschrieben.

Bedienung und Teile

Ein Basispolarimeter verwendet zwei Nicol-Prismen oder Polaroid-Schichten, zwischen denen sich die zu analysierende optisch aktive Substanz befindet.

William Nicol (1768-1851) war ein schottischer Physiker, der einen Großteil seiner Karriere der Instrumentierung widmete. Unter Verwendung eines Kalzitkristalls oder eines isländischen Holms, eines Minerals, das einen einfallenden Lichtstrahl spalten kann, schuf Nicol 1828 ein Prisma, mit dem polarisiertes Licht erhalten werden konnte. Es wurde häufig bei der Konstruktion von Polarimetern verwendet.

Figure 4. Doppelbrechender Calcitkristall. Quelle: Wikimedia Commons. APN MJM.

Die Hauptteile eines Polarimeters sind:

- Die Lichtquelle. Im Allgemeinen eine Natrium-, Wolfram- oder Quecksilberdampflampe, deren Wellenlänge bekannt ist.

- Polarisatoren. Ältere Modelle verwendeten Nicol-Prismen, während modernere normalerweise Polaroid-Schichten verwenden, die aus langkettigen Kohlenwasserstoffmolekülen mit Iodatomen bestehen.

- Ein Probenhalter. Wo sich die zu analysierende Substanz befindet, deren Länge variabel, aber genau bekannt ist.

- Ein Okular und Anzeigen mit Nonius-Skalen. Damit der Beobachter die Rotationskraft der Probe genau messen kann. Automatische Modelle verfügen über Lichtschranken.

- Zusätzlich Temperatur- und Wellenlängenindikatoren. Da die Rotationskraft vieler Substanzen von diesen Parametern abhängt.

Abbildung 5. Schema eines manuellen Polarimeters. Quelle: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

Bei dem beschriebenen Verfahren gibt es eine kleine Unannehmlichkeit, wenn der Betrachter das Minimum an Licht einstellt, da das menschliche Auge nicht in der Lage ist, sehr kleine Schwankungen der Leuchtkraft zu erfassen.

Um dieses Problem zu beheben, fügt das Laurent-Polarimeter ein halblängenlängenverzögerendes Halbblatt aus doppelbrechendem Material hinzu.

Auf diese Weise hat der Betrachter zwei oder drei benachbarte Bereiche unterschiedlicher Leuchtkraft, die als Felder bezeichnet werden, im Betrachter. Dies erleichtert dem Auge die Unterscheidung von Lichtstärken.

Sie haben die genaueste Messung, wenn der Analysator so gedreht wird, dass alle Felder gleich dunkel sind.

Abbildung 6. Manuelles Ablesen des Polarimeters. Quelle: F. Zapata.

Biots Gesetz

Das Biotsche Gesetz bezieht die in sexagesimalen Graden gemessene Rotationskraft α einer optisch aktiven Substanz mit der Konzentration c der Substanz - wenn es sich um eine Lösung handelt - und der Geometrie des optischen Systems.

Aus diesem Grund wurde bei der Beschreibung des Polarimeters betont, dass die Wellenlängenwerte des Lichts und des Probenhalters bekannt sein mussten.

Die Proportionalitätskonstante wird als spezifische Rotationskraft der Lösung bezeichnet und bezeichnet. Dies hängt von der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts und der Temperatur T der Probe ab. Die Werte von sind normalerweise bei 20 ° C für Natriumlicht tabellarisch aufgeführt, dessen Wellenlänge 589,3 nm beträgt.

Abhängig von der Art der zu analysierenden Verbindung nimmt das Biotsche Gesetz verschiedene Formen an:

- Optisch aktive Feststoffe: α = .ℓ

- Reine Flüssigkeiten: α =. ℓ.ρ

- Lösungen mit gelösten Stoffen mit optischer Aktivität: α =. c.c

- Proben mit mehreren optisch aktiven Komponenten: ∑α _i

Mit folgenden zusätzlichen Mengen und deren Einheiten:

- Länge des Probenhalters: ℓ (in mm für Feststoffe und dm für Flüssigkeiten)

- Dichte der Flüssigkeiten: ρ (in g / ml)

- Konzentration: c (in g / ml oder Molarität)

Vorteile und Nachteile

Polarimeter sind in verschiedenen Bereichen sehr nützliche Laborinstrumente, und jeder Polarimetertyp hat je nach Verwendung Vorteile.

Ein großer Vorteil der Technik selbst besteht darin, dass es sich um einen zerstörungsfreien Test handelt, der für die Analyse teurer, wertvoller Proben geeignet ist oder aus irgendeinem Grund nicht dupliziert werden kann. Die Polarimetrie ist jedoch auf keine Substanz anwendbar, nur auf solche mit optischer Aktivität oder chiralen Substanzen, wie sie auch bekannt sind.

Es ist auch zu berücksichtigen, dass das Vorhandensein von Verunreinigungen zu Fehlern in den Ergebnissen führt.

Der von der analysierten Substanz erzeugte Drehwinkel entspricht ihren Eigenschaften: der Art des Moleküls, der Konzentration der Lösung und sogar des verwendeten Lösungsmittels. Um all diese Daten zu erhalten, müssen die Wellenlänge des verwendeten Lichts, die Temperatur und die Länge des Probenbehälterbehälters genau bekannt sein.

Die Genauigkeit, mit der Sie die Probe analysieren möchten, ist entscheidend für die Auswahl eines geeigneten Geräts. Und es kostet auch.

Vor- und Nachteile des manuellen Polarimeters

- Sie sind in der Regel billiger, obwohl es auch kostengünstige digitale Versionen gibt. Dafür gibt es viel zu bieten.

- Sie eignen sich für den Einsatz in Lehrlabors und als Schulung, da sie dem Bediener helfen, sich mit den theoretischen und praktischen Aspekten der Technik vertraut zu machen.

- Sie sind fast immer wartungsarm.

- Sie sind widerstandsfähig und langlebig.

- Das Ablesen der Messung ist etwas mühsamer, insbesondere wenn die zu analysierende Substanz eine geringe Rotationsleistung aufweist. Daher ist der Bediener in der Regel spezialisiertes Personal.

Vor- und Nachteile von automatischen und digitalen Polarimetern

- Sie sind einfach zu handhaben und zu lesen, sie benötigen kein spezialisiertes Personal für ihren Betrieb.

- Das digitale Polarimeter kann die Daten auf den Drucker oder das Speichergerät exportieren.

- Automatische Polarimeter benötigen weniger Messzeit (ca. 1 Sekunde).

- Sie haben Optionen, um in Intervallen zu messen.

- Der fotoelektrische Detektor ermöglicht die Analyse von Substanzen mit geringer Rotationsleistung.

- Effiziente Temperaturregelung, der Parameter, der die Messung am meisten beeinflusst.

- Einige Modelle sind teuer.

- Sie müssen gewartet werden.

Anwendungen

Wie eingangs erwähnt, hat die Polarimetrie eine Vielzahl von Anwendungen. Die Bereiche sind vielfältig und die zu analysierenden Verbindungen können sowohl organisch als auch anorganisch sein. Dies sind einige von ihnen:

- Bei der pharmazeutischen Qualitätskontrolle kann festgestellt werden, ob die zur Herstellung von Arzneimitteln verwendeten Substanzen die richtige Konzentration und Reinheit aufweisen.

- Zur Qualitätskontrolle der Lebensmittelindustrie, Analyse der Reinheit von Zucker sowie seines Gehalts an Getränken und Süßigkeiten. Auf diese Weise verwendete Polarimeter werden auch als Saccharimeter bezeichnet und verwenden eine bestimmte Skala, die sich von der in anderen Anwendungen verwendeten unterscheidet: die ºZ-Skala.

Abbildung 7. Die Qualitätskontrolle des Zuckergehalts in Weinen und Fruchtsäften erfolgt polarimetrisch. Quelle: Pixabay.

- Auch in der Lebensmitteltechnologie wird der Stärkegehalt einer Probe ermittelt.

- In der Astrophysik wird die Polarimetrie verwendet, um die Polarisation von Licht in Sternen zu analysieren und die in astronomischen Umgebungen vorhandenen Magnetfelder und ihre Rolle in der Sternendynamik zu untersuchen.

- Polarimetrie ist nützlich bei der Erkennung von Augenkrankheiten.

- In Satellitenfernerkundungsgeräten zur Beobachtung von Schiffen auf hoher See, in Verschmutzungsgebieten mitten im Meer oder an Land dank der Aufnahme von Bildern mit hohem Kontrast.

- Die chemische Industrie verwendet Polarimetrie zur Unterscheidung zwischen optischen Isomeren. Diese Substanzen haben identische chemische Eigenschaften, da ihre Moleküle die gleiche Zusammensetzung und Struktur haben, aber eines ist ein Spiegelbild des anderen.

Optische Isomere unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Licht polarisieren (Enantiomere): Ein Isomer tut dies links (linkshändig) und das andere rechts (rechtshändig), immer aus Sicht des Betrachters.

1. AGS Analytical. Wofür ist ein Polarimeter? Wiederhergestellt von: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Chemistry. 2013. Elfte Ausgabe. McGraw Hill.
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   Bestimmung der Reinheit eines Zuckers. Wiederhergestellt von: riunet.upv.es.