Polarimetria: justificativa, tipos, aplicações, vantagens e desvantagens - Ciência - 2023

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o polarimetria mede a rotação que um feixe de luz polarizada sofre ao passar por uma substância opticamente ativa que pode ser um cristal (por exemplo, turmalina) ou uma solução de açúcar.

É uma técnica simples, pertencente aos métodos ópticos de análise e com inúmeras aplicações, especialmente na indústria química e alimentar, para determinar a concentração de soluções açucaradas.

Base

A base física desta técnica reside nas propriedades da luz como uma onda eletromagnética, consistindo em um campo elétrico e um campo magnético movendo-se em direções perpendiculares entre si.

As ondas eletromagnéticas são transversais, o que significa que esses campos, por sua vez, se propagam na direção perpendicular a eles, conforme figura 2.

Porém, como o campo é composto por inúmeros trens de ondas que vêm de cada átomo, e cada um deles oscila em diferentes direções, a luz natural ou a proveniente de uma lâmpada incandescente não é polarizada.

Em contraste, quando as oscilações do campo ocorrem em uma direção preferencial, a luz é considerada polarizada. Isso pode ser conseguido deixando o feixe de luz passar por certas substâncias capazes de bloquear componentes indesejados e permitindo que apenas um em particular passe.

Se, além disso, a onda de luz consiste em um único comprimento de onda, temos um feixe monocromático linearmente polarizado.

Os materiais que atuam como filtros para fazer isso são chamados de polarizadores ou analisadores. E existem substâncias que respondem à luz polarizada, girando o plano de polarização. São conhecidos como substâncias opticamente ativas, por exemplo açúcares.

Tipos de polarímetro

Em geral, os polarímetros podem ser: manuais, automáticos, semiautomáticos e digitais.

Manuais

Polarímetros manuais são usados em laboratórios de ensino e pequenos laboratórios, enquanto os automáticos são preferidos quando um grande número de medições é necessário, pois minimizam o tempo gasto na medição.

Automático e digital

Os modelos automático e digital vêm com um detector fotoelétrico, um sensor que emite uma resposta à mudança de luz e aumenta muito a precisão das medições. Existem também aqueles que oferecem leitura em tela digital, sendo muito fáceis de operar.

Para ilustrar a operação geral de um polarímetro, um tipo óptico manual é descrito abaixo.

Operação e peças

Um polarímetro básico utiliza dois prismas Nicol ou lâminas Polaroid, entre as quais se localiza a substância opticamente ativa a ser analisada.

William Nicol (1768-1851) foi um físico escocês que dedicou grande parte de sua carreira à instrumentação. Usando um cristal de calcita ou longarina da Islândia, um mineral capaz de dividir um feixe de luz incidente, Nicol criou em 1828 um prisma com o qual a luz polarizada poderia ser obtida. Foi amplamente utilizado na construção de polarímetros.

As principais partes de um polarímetro são:

- A fonte de luz. Geralmente uma lâmpada de vapor de sódio, tungstênio ou mercúrio, cujo comprimento de onda é conhecido.

- Polarizadores. Os modelos mais antigos usavam prismas Nicol, enquanto os mais modernos geralmente usam folhas Polaroid, feitas de moléculas de hidrocarbonetos de cadeia longa com átomos de iodo.

- Um porta-amostras. Onde é colocada a substância a ser analisada, cujo comprimento é variável, mas exatamente conhecido.

- Uma ocular e indicadores fornecidos com escalas de vernier. Para o observador medir com precisão o poder rotacional da amostra. Os modelos automáticos possuem sensores fotoelétricos.

- Além disso, indicadores de temperatura e comprimento de onda. Já que o poder de rotação de muitas substâncias depende desses parâmetros.

Polarímetro Laurent

No procedimento descrito existe uma pequena desvantagem quando o observador ajusta o mínimo de luz, uma vez que o olho humano não é capaz de detectar variações muito pequenas na luminosidade.

Para superar esse problema, o polarímetro Laurent adiciona uma meia folha de retardo de meio comprimento de onda, feita de material birrefringente.

Dessa forma, o observador tem duas ou três regiões adjacentes de luminosidade diferente, chamadas de campos, no visualizador. Isso torna mais fácil para o olho distinguir os níveis de brilho.

Você tem a medição mais precisa quando o analisador é girado de forma que todos os campos fiquem igualmente escuros.

Lei de Biot

A lei de Biot relaciona o poder rotativo α de uma substância opticamente ativa, medida em graus sexagesimais, com a concentração c da dita substância -quando é uma solução- e da geometria do sistema óptico.

É por isso que a ênfase foi colocada na descrição do polarímetro, que os valores do comprimento de onda da luz e do porta-amostra deveriam ser conhecidos.

A constante de proporcionalidade é denotada [α] e é chamada potência rotacional específica da solução. Depende do comprimento de onda λ da luz incidente e da temperatura T da amostra. Os valores de [α] são geralmente tabulados a 20ºC para a luz de sódio, especificamente, cujo comprimento de onda é 589,3 nm.

Dependendo do tipo de composto a ser analisado, a lei de Biot assume diferentes formas:

- Sólidos opticamente ativos: α = [α].ℓ

- Líquidos puros: α = [α]. ℓ.ρ

- Soluções com solutos que possuem atividade ótica: α = [α]. ℓ.c

- Amostras com vários componentes opticamente ativos: ∑α_Eu

Com as seguintes quantidades adicionais e suas unidades:

- Comprimento do porta-amostra: ℓ (em mm para sólidos e dm para líquidos)

- Densidade de líquidos: ρ (em g / ml)

- Concentração: c (em g / ml ou molaridade)

Vantagens e desvantagens

Os polarímetros são instrumentos de laboratório muito úteis em diversas áreas e cada tipo de polarímetro apresenta vantagens de acordo com o uso a que se destina.

Uma grande vantagem da técnica em si é que se trata de um ensaio não destrutivo, adequado para analisar amostras caras, valiosas ou que por algum motivo não podem ser duplicadas. No entanto, a polarimetria não é aplicável a nenhuma substância, apenas àquelas que têm atividade ou substância óptica quiral, como também são conhecidos.

Também é necessário considerar que a presença de impurezas introduz erros nos resultados.

O ângulo de rotação produzido pela substância analisada está de acordo com suas características: o tipo de molécula, a concentração da solução e até o solvente utilizado. Para obter todos esses dados, é necessário saber exatamente o comprimento de onda da luz utilizada, a temperatura e o comprimento do recipiente porta-amostras.

A precisão com que se deseja analisar a amostra é decisiva na hora de escolher um equipamento adequado. E seu custo também.

Vantagens e desvantagens do polarímetro manual

- Eles tendem a ser mais baratos, embora existam também versões digitais de baixo custo. Quanto a isso, há muita oferta.

- São indicados para uso em laboratórios de ensino e como treinamento, pois auxiliam o operador a se familiarizar com os aspectos teóricos e práticos da técnica.

- Quase sempre requerem pouca manutenção.

- São resistentes e duráveis.

- A leitura da medição é um pouco mais trabalhosa, principalmente se a substância a ser analisada for de baixa potência rotacional, pois o operador costuma ser pessoal especializado.

Vantagens e desvantagens dos polarímetros automáticos e digitais

- São de fácil manuseio e leitura, não requerem pessoal especializado para sua operação.

- O polarímetro digital pode exportar os dados para impressora ou dispositivo de armazenamento.

- Os polarímetros automáticos requerem menos tempo de medição (cerca de 1 segundo).

- Eles têm opções para medir por intervalos.

- O detector fotoelétrico permite analisar substâncias com baixa potência rotacional.

- Controle com eficiência a temperatura, o parâmetro que mais influencia a medição.

- Alguns modelos são caros.

- Eles requerem manutenção.

Formulários

A polarimetria possui um grande número de aplicações, conforme mencionado no início. As áreas são diversas e os compostos a serem analisados podem ser orgânicos e inorgânicos. Estes são alguns deles:

- No controle de qualidade farmacêutica, ajudando a determinar se as substâncias utilizadas na fabricação de medicamentos possuem a concentração e pureza adequadas.

- Para o controle de qualidade da indústria alimentícia, analisando a pureza do açúcar, bem como seu conteúdo em bebidas e doces. Polarímetros usados desta forma também são chamados sacarímetros e eles usam uma escala particular, diferente daquela usada em outras aplicações: a escala ºZ.

- Também na tecnologia de alimentos é utilizado para determinar o teor de amido de uma amostra.

- Na astrofísica, a polarimetria é usada para analisar a polarização da luz nas estrelas e estudar os campos magnéticos presentes em ambientes astronômicos e seu papel na dinâmica estelar.

- A polarimetria é útil na detecção de doenças oculares.

- Em dispositivos de sensoriamento remoto por satélite para a observação de navios em alto mar, áreas de poluição no meio do oceano ou em terra, graças à obtenção de imagens com alto contraste.

- A indústria química usa polarimetria para distinguir entre isômeros ópticos. Essas substâncias têm propriedades químicas idênticas, pois suas moléculas têm a mesma composição e estrutura, mas uma é a imagem espelhada da outra.

Os isômeros ópticos diferem na forma como polarizam a luz (enantiômeros): um isômero o faz à esquerda (canhoto) e outro à direita (destro), sempre do ponto de vista do observador.

Referências

AGS Analytical. Para que serve um polarímetro? Recuperado de: agsanalitica.com.
Chang, R. Chemistry. 2013. Décima primeira edição. McGraw Hill.
Gavira, J. Polarimetry. Recuperado de: triplenlace.com.
Instrumentos científicos. Polarímetros. Recuperado de: uv.es.
Universidade politécnica de Valência. Aplicação de polarimetria para
determinação da pureza de um açúcar. Recuperado de: riunet.upv.es.