Justification, types, applications, avantages et inconvénients de la polarimétrie

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Abraham McLaughlin
Justification, types, applications, avantages et inconvénients de la polarimétrie

La polarimétrie mesure la rotation qu'un faisceau lumineux polarisé subit lorsqu'il traverse une substance optiquement active qui peut être un cristal (par exemple la tourmaline) ou une solution de sucre.

C'est une technique simple, appartenant aux méthodes d'analyse optique et avec de nombreuses applications, notamment dans l'industrie chimique et agroalimentaire pour déterminer la concentration de solutions sucrées..

Figure 1. Polarimètre automatique numérique. Source: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter [CC BY-SA 3.0 DE (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.fr )]

Index des articles

  • 1 Justification
  • 2 types de polarimètre
    • 2.1 Manuels
    • 2.2 Automatique et numérique
  • 3 Fonctionnement et pièces
    • 3.1 Polarimètre Laurent
    • 3.2 Loi de Biot
  • 4 Avantages et inconvénients
    • 4.1 Avantages et inconvénients du polarimètre manuel
    • 4.2 Avantages et inconvénients des polarimètres automatiques et numériques
  • 5 applications
  • 6 Références

Base

Le fondement physique de cette technique réside dans les propriétés de la lumière en tant qu'onde électromagnétique, constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique se déplaçant dans des directions mutuellement perpendiculaires..

Les ondes électromagnétiques sont transversales, ce qui signifie que ces champs, à leur tour, se propagent dans la direction perpendiculaire à eux, selon la figure 2.

Cependant, comme le champ est composé de nombreux trains d'ondes provenant de chaque atome et chacun oscille dans des directions différentes, la lumière naturelle ou celle provenant d'une ampoule à incandescence n'est pas polarisée..

En revanche, lorsque les oscillations du champ se produisent dans une direction préférentielle, la lumière est dite polarisée. Ceci peut être réalisé en laissant passer le faisceau lumineux à travers certaines substances capables de bloquer des composants indésirables et en ne laissant passer qu'une seule en particulier..

Figure 2. Animation d'un champ électromagnétique se propageant le long de l'axe x. Source: Wikimedia Commons. And1mu [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)].

Si, en plus, l'onde lumineuse est constituée d'une seule longueur d'onde, on a un faisceau monochrome polarisé linéairement.

Les matériaux qui agissent comme des filtres pour accomplir cela sont appelés polariseurs ou analyseurs. Et il y a des substances qui réagissent à la lumière polarisée, faisant tourner le plan de polarisation. Ils sont connus sous le nom de substances optiquement actives, par exemple les sucres.

Types de polarimètres

En général, les polarimètres peuvent être: manuels, automatiques et semi-automatiques et numériques.

Manuels

Les polarimètres manuels sont utilisés dans les laboratoires d'enseignement et les petits laboratoires, tandis que les polarimètres automatiques sont préférables lorsqu'un grand nombre de mesures sont nécessaires, car ils minimisent le temps consacré aux mesures..

Automatique et numérique

Les modèles automatiques et numériques sont livrés avec un détecteur photoélectrique, un capteur qui émet une réponse au changement de lumière et augmente considérablement la précision des mesures. Il y a aussi ceux qui offrent la lecture sur un écran numérique, étant très faciles à utiliser.

Pour illustrer le fonctionnement général d'un polarimètre, un type optique manuel est décrit ci-dessous..

Fonctionnement et pièces

Un polarimètre de base utilise deux prismes de Nicol ou plaques Polaroid, au milieu desquels se trouve la substance optiquement active à analyser..

William Nicol (1768-1851) était un physicien écossais qui a consacré une grande partie de sa carrière à l'instrumentation. À l'aide d'un cristal de calcite ou de longeron d'Islande, un minéral capable de diviser un faisceau lumineux incident, Nicol crée en 1828 un prisme avec lequel une lumière polarisée peut être obtenue. Il a été largement utilisé dans la construction de polarimètres.

Figure 4. Cristal de calcite biréfringent. Source: Wikimedia Commons. APN MJM [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)].

Les principales parties d'un polarimètre sont:

- La source lumineuse. Généralement une lampe à vapeur de sodium, de tungstène ou de mercure, dont la longueur d'onde est connue.

- Polariseurs. Les anciens modèles utilisaient des prismes de Nicol, tandis que les plus modernes utilisent généralement des feuilles Polaroid, constituées de molécules d'hydrocarbures à longue chaîne avec des atomes d'iode..

- Un porte-échantillon. Où la substance à analyser est placée, dont la longueur est variable, mais connue exactement.

- Un oculaire et des indicateurs équipés d'échelles à vernier. Pour que l'observateur mesure avec précision la puissance de rotation de l'échantillon. Les modèles automatiques ont des capteurs photoélectriques.

- En outre, des indicateurs de température et de longueur d'onde. Étant donné que le pouvoir de rotation de nombreuses substances dépend de ces paramètres.

Figure 5. Schéma d'un polarimètre manuel. Source: Chang, R. Chimie.

Laurent Polarimètre

Dans la procédure décrite, il y a un petit inconvénient lorsque l'observateur ajuste le minimum de lumière, car l'œil humain n'est pas capable de détecter de très petites variations de luminosité..

Pour pallier ce problème, le polarimètre Laurent ajoute une demi-feuille retardatrice de demi-longueur d'onde, en matériau biréfringent..

De cette manière, l'observateur a deux ou trois régions adjacentes de luminosité différente, appelées champs, dans le spectateur. Cela permet à l'œil de distinguer plus facilement les niveaux de luminosité..

Vous obtenez la mesure la plus précise lorsque l'analyseur est tourné afin que tous les champs soient également sombres..

Figure 6. Lecture manuelle du polarimètre. Source: F. Zapata.

Loi de Biot

La loi de Biot concerne la puissance de rotation α d'une substance optiquement active, mesurée en degrés sexagésimaux, avec la concentration c de ladite substance -quand il s'agit d'une solution- et la géométrie du système optique.

C'est pourquoi l'accent a été mis dans la description du polarimètre, que les valeurs de longueur d'onde de la lumière et celle du porte-échantillon devaient être connues.

La constante de proportionnalité est notée [α] et est appelée puissance de rotation spécifique de la solution. Cela dépend de la longueur d'onde λ de la lumière incidente et de la température T de l'échantillon. Les valeurs de [α] sont généralement tabulées à 20 ºC pour la lumière de sodium, en particulier, dont la longueur d'onde est de 589,3 nm.

Selon le type de composé à analyser, la loi de Biot prend différentes formes:

- Solides optiquement actifs: α = [α] .ℓ

- Liquides purs: α = [α]. ℓ.ρ

- Solutions avec des solutés ayant une activité optique: α = [α]. ℓ.c

- Échantillons avec divers composants optiquement actifs: ∑αje

Avec les magnitudes supplémentaires suivantes et leurs unités:

- Longueur du porte-échantillon: ℓ (en mm pour les solides et dm pour les liquides)

- Densité des liquides: ρ (en g / ml)

- Concentration: c (en g / ml ou molarité)

Avantages et inconvénients

Les polarimètres sont des instruments de laboratoire très utiles dans divers domaines et chaque type de polarimètre présente des avantages en fonction de son utilisation..

Un grand avantage de la technique elle-même est qu'il s'agit d'un test non destructif, approprié lors de l'analyse d'échantillons coûteux et précieux ou qui, pour une raison quelconque, ne peut pas être dupliqué. Cependant, la polarimétrie ne s'applique à aucune substance, uniquement à celles qui ont une activité ou une substance optique chiral, comme ils sont également connus.

Il faut également considérer que la présence d'impuretés introduit des erreurs dans les résultats..

L'angle de rotation produit par la substance analysée est conforme à ses caractéristiques: le type de molécule, la concentration de la solution et même le solvant utilisé. Pour obtenir toutes ces données, il est nécessaire de connaître exactement la longueur d'onde de la lumière utilisée, la température et la longueur du récipient porte-échantillon..

La précision avec laquelle vous souhaitez analyser l'échantillon est déterminante lors du choix d'un équipement approprié. Et son coût aussi.

Avantages et inconvénients du polarimètre manuel

- Ils sont généralement moins chers, bien qu'il existe également des versions numériques à faible coût. Quant à cela, il y a beaucoup d'offres.

- Ils conviennent pour une utilisation dans les laboratoires d'enseignement et comme formation, car ils aident l'opérateur à se familiariser avec les aspects théoriques et pratiques de la technique..

- Ils nécessitent presque toujours peu d'entretien.

- Ils sont solides et durables.

- La lecture de la mesure est un peu plus laborieuse, surtout si la substance à analyser est de faible puissance de rotation, donc l'opérateur est généralement un personnel spécialisé.

Avantages et inconvénients des polarimètres automatiques et numériques

- Ils sont faciles à manipuler et à lire, ils ne nécessitent pas de personnel spécialisé pour leur fonctionnement.

- Le polarimètre numérique peut exporter les données vers une imprimante ou un périphérique de stockage.

- Les polarimètres automatiques nécessitent moins de temps de mesure (environ 1 seconde).

- Ils ont des options pour mesurer par intervalles.

- Le détecteur photoélectrique permet d'analyser des substances à faible puissance de rotation.

- Contrôler efficacement la température, le paramètre qui influence le plus la mesure.

- Certains modèles sont chers.

- Nécessite une maintenance.

Applications

La polarimétrie a un grand nombre d'applications, comme mentionné au début. Les zones sont diverses et les composés à analyser peuvent être aussi bien organiques qu'inorganiques. Voici quelques-uns d'entre eux:

- Dans le contrôle de la qualité pharmaceutique, aider à déterminer que les substances utilisées dans la fabrication des médicaments ont la concentration et la pureté appropriées.

- Pour le contrôle de la qualité de l'industrie alimentaire, en analysant la pureté du sucre, ainsi que sa teneur dans les boissons et les sucreries. Les polarimètres utilisés de cette manière sont également appelés saccharimètres et ils utilisent une échelle particulière, différente de celle utilisée dans d'autres applications: l'échelle ºZ.

Figure 7. Le contrôle de la qualité de la teneur en sucre des vins et des jus de fruits est réalisé par polarimétrie. Source: Pixabay.

- Également dans la technologie alimentaire, il est utilisé pour trouver la teneur en amidon d'un échantillon.

- En astrophysique, la polarimétrie est utilisée pour analyser la polarisation de la lumière dans les étoiles et pour étudier les champs magnétiques présents dans les environnements astronomiques et leur rôle dans la dynamique stellaire..

- La polarimétrie est utile pour détecter les maladies de l'œil.

- Dans les dispositifs de télédétection par satellite pour l'observation des navires en mer, des zones de pollution au milieu de l'océan ou sur terre, grâce à l'imagerie à contraste élevé.

- L'industrie chimique utilise la polarimétrie pour faire la distinction entre isomères optiques. Ces substances ont des propriétés chimiques identiques, puisque leurs molécules ont la même composition et structure, mais l'une est une image miroir de l'autre..

Les isomères optiques diffèrent dans la façon dont ils polarisent la lumière (énantiomères): un isomère le fait vers la gauche (gaucher) et l'autre vers la droite (droitier), toujours du point de vue de l'observateur..

Les références

  1. AGS Analytique. A quoi sert un polarimètre? Récupéré de: agsanalitica.com.
  2. Chang, R. Chimie. 2013. Onzième édition. Mcgraw Hill.
  3. Gavira, J. Polarimétrie. Récupéré de: triplenlace.com.
  4. Instruments scientifiques. Polarimètres. Récupéré de: uv.es.
  5. Université polytechnique de Valence. Application de la polarimétrie à
    détermination de la pureté d'un sucre. Récupéré de: riunet.upv.es.

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