Polarimetría

Universidad Central de Venezuela
Facultad de Agronomía
Departamento de Química y Tecnología
Cátedra de: Análisis de Productos Agrícolas I.
Tema 7
Refractometría y Polarimetría
Profesores de la cátedra:
Ing° Alejandra Ramírez
Ing° Fanny E. Molina Suárez
Ing° Marlene Mora
Elaborado por:
Ing° Fanny E. Molina Suárez
Técnico:
Hecni Meneses
1
Análisis de Productos Agrícolas I
Refractometría
I.
Refracción:
Cambio en la velocidad y dirección de propagación debido a que pasa de un medio
a otro (Figura 1)
FIGURA 1: LEY DE REFRACCIÓN
Transmitida
Radiación
electromagnética
Absorbida
Reflejada
Dispersada
Material
Involucra la determinación de:
II.

El Índice de refracción de una sustancia n 

El porcentaje de Sólidos Solubles (°BRIX)
El índice de refracción:
Se define como el cociente entre el seno del ángulo de incidencia (sen i) y el seno
del ángulo de refracción (sen r) de la luz monocromática, al pasar de un medio
menos denso generalmente aire a un medio más denso (Figura 2)
El índice de refracción es una constante física, característico de cada sustancia,
comúnmente expresado como:
n2

sen i
 1 
n1 2
sen r
En el vacío: n 1  1
Entonces se obtiene:
n2 
C
2

1  C
sen i
sen r
sen i
sen r
En general:
ni 
Donde:
n i  Indice de refracción de la sustancia
i

C
y
C  Velocidad de propagación en el vacío (es constante)
 i  Velocidad de propagación en el medio
2
Análisis de Productos Agrícolas I
El índice de refracción depende fuertemente de la composición de la muestra, de
la temperatura y de la longitud de onda de la luz utilizada, se suele medir n con la
línea espectral de la luz amarilla del sodio (Línea D= 589nm) y a T=2O, 25 o 40°C
y se denota como: n Dt
Figura 2: Ley de refracción en los dos medios.

En condiciones de laboratorio un
índice de refracción n D medido con
respecto al aire, con la línea D de
sodio puede convertirse en n vac con
la
siguiente
nvac  1.00027nD
ecuación:

El Índice de refracción en Líquidos
varía entre 1.3 y 1.8

El Índice de refracción en Sólidos
varía entre 1.3 y 2.5
Existe una relación entre el índice de refracción y la densidad que permite conocer
la refractividad específica, la cual es independiente de la temperatura y se obtiene
según la ecuación de Lorentz-lorentz:
r
n

n
2
2


1 1
*
2 d
Donde:
r= Refractividad Específica
d = Densidad
M  = Peso Molecular
Se dice entonces que:
R 
n
n
2
2
Donde:
III.


R r *M
1 M
*
2 d
R= Refractividad Molar
Factores que afectan la medición del índice de refracción
1. Temperatura: Es una medida del cambio de densidad. La temperatura debe
ser controlada para poder obtener mediciones precisas de índice de refracción.
Para el líquido medio las fluctuaciones de temperatura deben ser menores de
 0.2 °C, si se requiere precisión de cuatro decimales. En general un aumento
3
Análisis de Productos Agrícolas I
de (T), disminuye la densidad y el índice de refracción, el índice de refracción
puede ser corregido en muestras de grasa y aceite por temperatura, usando las
siguientes ecuaciones:
Aceites:
n Corregida
 n 0  0,000385 (T 0  T s )  T s  25  C
Grasas:
n Corregida
 n 0  0,000365 (T 0  T s )  T s  40  C
2. Presión: En General para los líquidos un aumento en la presión aumenta la
densidad y por ende aumenta el índice de refracción.
En los gases el efecto es más pronunciado y para sólidos es aún menor que en
los líquidos. La variación en la presión atmosférica solo es importante para
trabajo con gases.
n aire  1,00027 (1atm )
n aire  1,03 (100 atm )
3. Longitud de Onda: El índice de refracción en un medio transparente
disminuye gradualmente al aumentar la longitud de onda (Aumento de longitud
de onda, disminuye el índice de refracción)
IV.
Aplicaciones de la Refractometría:
1. Cualitativamente:
1.1. Para describir (Identificar y Caracterizar) una especie química por
ejemplo aceites y grasas
1.2. En la identificación de sustancias desconocidas por comparación con
valores tabulados en la literatura
1.3. En la identificación de compuestos puros, correlacionado con los puntos
de ebullición y fusión
2. Cuantitativamente:
2.1.
Para medir la pureza de un compuesto
2.2.
Evaluación de calidad en grasas y aceites
2.3.
Control de procesos de hidrogenación
2.4.
Determinación de sólidos solubles en frutas y productos de frutas tales
como jaleas, mermeladas, néctares, pulpas, etc.
2.5.
Determinar la concentración de soluciones acuosas de azúcar (da
concentración total de carbohidratos)
4
Análisis de Productos Agrícolas I
2.6.
Determinación de sólidos totales en productos de tomates, jugos cítricos,
proteínas, huevos, leche, y productos lácteos, cerveza, vinagre, alcohol.
2.7.
Cálculo de la densidad a partir de valores de “r” tabulados
2.8.
Determinación cuantitativa del contenido de agua en miel
2.9.
Para determinar el extracto de alimentos que esté formado
principalmente por azúcar (sacarosa), como los es el caso de las
confituras, miel, jarabe de almidón, zumos etc.
2.10. Evaluar la composición de un líquido binario o una mezcla gaseosa
2.11. Determinación de concentraciones de azufre en caucho no vulcanizado
2.12. Para evaluar aparatos y métodos para separaciones como destilación,
extracción, Cromatografía de adsorción y difusión
V.
Instrumentos para medir el índice de refracción
1. Los Refractómetros:
a)
Los que se basan en la medición del ángulo crítico
b)
Los basados en la determinación del desplazamiento de una imagen
2. Los Interferómetros:
Utilizan el fenómeno de la interferencia para obtener índices de refracción
diferenciales, con alta precisión.
VI.
Refractómetro de Ángulo Crítico: Son los instrumentos más
usados
FIGURA 3: ÁNGULO CRÍTICO
El ángulo crítico se forma, cuando el ángulo
del rayo incidente se encuentra a un nivel tal
que el ángulo de refracción llega a ser de 90°
(Figura 3), es decir la radiación no pasa del
medio 1 al medio 2, pero viaja a lo largo de la
superficie de la división perpendicular a la
normal, en forma rasante a la superficie. En
otras palabras es el ángulo para el cual el
ángulo de refracción es de 90°, y tras el cual
la reflexión total es obtenida.
5
Análisis de Productos Agrícolas I
Clasificación:
1. Refractómetro de Inmersión: El prisma queda sumergido en la muestra y sobre
la cara del prisma se refleja la luz blanca procedente de un espejo. Posee un
solo prisma Amici el cual es un compensador que permite el uso de radiación
de una fuente de tungsteno, ya que compensa la luz dispersada en luz blanca
en función de la línea D del sodio. (Figura 4) las características del
Refractómetro de Inmersión son:
FIGURA 4: PRISMA AMICI
Roja
Luz
Dispersada
Amarilla
Luz
Blanca
Azul
1.1.
Es el más sencillo de los Refractómetros de ángulo crítico
1.2.
Requiere muestras grandes
1.3.
Lectura que debe ser transformada en índices de refracción por tablas
1.4.
Rango de n = 1.32 a 1.54
1.5.
Un prisma sólo abarca n = 0.04, por lo que usa prismas intercambiables
para cubrir el rango de lectura
1.6.
Apreciación de 0.0002 unidades
1.7.
Dificultad para mantener constante la temperatura
1.8.
Usado extensamente en análisis cuantitativo de soluciones acuosas
2. Refractómetro ABBE: Es el más cómodo y más usado, la muestra queda
contenida como una capa delgada de 0.01mm entre dos prismas. El prisma
superior puede rotar ya que presenta un punto de apoyo, el inferior forma
bisagra con el superior para permitir su limpieza e introducción de la muestra
(Figura 5)
2.1.
Versátil, práctico
2.2.
Más generalizado
2.3.
Requiere muestras pequeñas
2.4.
Da lecturas de n y de °Brix
2.5.
Rango de n de 1.3 a 1.7
6
Análisis de Productos Agrícolas I
2.6.
Puede usar luz blanca o luz de sodio
2.7.
Precisión  0.001, °Brix 0.5 unidades
2.8.
Más usado en alimentos
2.9.
Sistema comparador formado por 2 prismas Amici
2.10. Existen tres modelos en el mercado:
t
Modelo ABBE Completo: Usa luz Blanca, mide nD como °Brix
Modelo ABBE Completo: Usa luz amarilla, mide sólidos solubles
Modelo ABBE Manual:
Usa luz Amarilla, mide °Brix
FIGURA 5: REFRACTÓMETRO ABBE
Lentes
Prismas 2
Fuente
Espejo
Amici
Telescopio
3. Refractómetro Pulfrich: La muestra se mantiene sobre la superficie horizontal
del prisma por medio de un cilindro de vidrio muy ajustado. El límite crítico se
observa con un telescopio montado sobre una tabla giratoria calibrada, el n se
determina por la posición del telescopio respecto al prisma.
Tiene un bloque grande lo que lo hace menos cómodo
Corrección a 20°C
Puede determinar el índice de refracción en sólidos y líquidos
Manejo de la muestra
Mantener la temperatura constante
Es más preciso que el ABBE
VII.
Normas COVENIN
Covenin
ICS
Titulo
0924:1983
67.080.10
Frutas y productos derivados. Determinación de sólidos solubles por Refractometría
0702:2001
67.200.10
Aceites y grasas vegetales. Determinación del índice de refracción
7
Análisis de Productos Agrícolas I
Polarimetría
Es un método de análisis químico que nos permite medir el cambio que sufre el
plano de luz polarizada cuando atraviesa un medio transparente formado por
sustancias ópticamente activas
I.
Luz Polarizada:
FIGURA 1: LUZ POLARIZADA
P
La luz polarizada se obtiene cuando se logra
que la radiación vibre en un solo plano con
respecto al haz de la trayectoria (Figura 1). La
vibración se da en un solo plano en el
espacio. La luz polarizada se obtiene por
reflexión y por refracción.
O
L
A
R
I
Z
A
D
O
Haz de luz
no
polarizada
II.
R
Plano
polarizado
Como se obtiene luz Polarizada:
La luz polarizada linealmente se obtiene a partir de la luz natural, cuando con los
dispositivos ópticos adecuados (por ejemplo prismas de Nicol, filtros de
polarización) se eliminan todos aquellos componentes cuyas vibraciones no se
producen en una determinada superficie, el denominado plano de polarización.
Formas de Obtención:
1. Por Reflexión: El ángulo de incidencia al cual la luz reflejada es completamente
polarizada es llamado ángulo polarizante: tan i = n (donde n = Indice de
refracción del vidrio) debido a la perdida de la intensidad de la luz por los
fenómenos de absorción y transmisión.
1.1.
Se obtiene luz muy débil
1.2.
Cuerpos transparentes: reflejan poco y transmiten mucho
1.3.
Es poco usada esta forma de obtener luz polarizada
2. Por Refracción: Cuando se hace incidir un haz de radiación monocromática no
polarizada sobre líquidos y gases ópticamente anisotrópicos, al igual que sobre
sólidos que cristalizan en forma cubica y sólidos no cristalinos, ocurre una doble
refracción de dicho haz donde el haz de radiación es dividido en dos rayos
8
Análisis de Productos Agrícolas I
polarizados es decir descomponen un rayo monocromático (no polarizada) en
dos rayos polarizados
2.1.
El rayo ordinario (O) se desplaza con igual velocidad en todas las
direcciones y
2.2.
El extraordinario (E) su desplazamiento es efectuado con mayor
velocidad en algunas direcciones que en otras.
La velocidad del rayo ordinario es igual a la del rayo extraordinario en la
dirección del eje óptico en los cristales anisotrópicos, algunos cristales
anisotrópicos pueden exhibir 2 ejes ópticos.
El índice de refracción del rayo ordinario n (O) es en muchos casos mayor que
el n (E)
III.
Actividad óptica:
Medida de la capacidad de ciertas sustancias de hacer girar la luz polarizada plana.
En el polarímetro se trabaja con sustancias ópticamente activas que se clasifican
en:

Dextrogiras:
Desvían la luz hacia la derecha

Levogiras:
izquierda
Desvían la luz polarizada hacia la
+
-
Los azucares son compuestos ópticamente activos, algunos como la fructosa (ver
tabla 1) son levorrotatorios (giran la luz hacia la izquierda) y otros son
dextrorotatorios (glucosa, sacarosa) cada azúcar tiene una rotación específica
característica.
TABLA 1: ROTACIÓN ESPECÍFICA DE ALGUNOS AZUCARES.
 tD20C
Azúcar
Glucosa
Fructosa
Azúcar Invertido
Sacarosa
Lactosa
IV.
52.5
-92.5
-20
66.5
52.5
Variables que afectan la rotación óptica:
La rotación de radiación polarizada plana puede variar desde varios cientos de
grados hasta unas pocas centésimas de grado, las variables experimentales que
pueden influir son:
9
Análisis de Productos Agrícolas I
1. El número de moléculas en la banda de radiación (concentración de la
disolución a medir)
2. La naturaleza del solvente usado (generalmente se emplea agua)
3. La temperatura: es casi lineal
4. El espesor de la capa atravesada
5. La longitud de onda de la radiación (luz polarizada): en la medida que
disminuye la longitud de onda aumenta la rotación óptica
6. Longitud de la trayectoria óptica: Inversamente proporcional
La relación entre la capacidad rotatoria óptica y la estructura molecular es muy
complicada. La capacidad rotatoria de una molécula ópticamente activa es
constante para unas condiciones determinadas y se utiliza por ello en su
caracterización. Además la capacidad rotatoria sirve para determinar la
concentración, cuando existe proporcionalidad con respecto a la concentración de
la sustancia en disolución y si la medida se realiza a espesor de capa constante.
En Polarimetria se mide la rotación específica, que es una característica de las
sustancias ópticamente activas:
 t


c *l
 t =
Rotación específica
=
Angulo de rotación
c=
Concentración en gramos/ml
l=
Longitud del tubo en decímetros
La rotación específica se define como la rotación angular en grados causada por la
longitud de 1 dm de una solución cuando la concentración es de: 1 gramo/ml. Se
encuentra también el término de rotación molecular que se define como:
M   M  100
Donde:
M 
= Rotación Molecular
M
=Peso Molecular
10
Análisis de Productos Agrícolas I
V.
Aplicación:
1. Cualitativo:
1.1.
La rotación óptica de un compuesto puro es una constante física útil
para fines de identificación junto con la medida de otras propiedades
físicas. La rotación óptica para diferentes azucares está tubulado
tomando t=20° y Longitud de onda de 589nm
1.2.
Para identificar ciertos líquidos o soluciones como aminoácidos,
esteroides, alcaloides y carbohidratos
2. Cuantitativo:
VI.
2.1.
Para medir la concentración de compuestos que son ópticamente activos
por ej.: carbohidratos como sacarosa, azúcar invertido y glucosa o
almidón (medición cuantitativa de hidratos de carbono) o medir el grado
de conversión de ellos en procesos químicos o enzimáticos.
2.2.
Análisis del azúcar de la remolacha.
2.3.
Análisis de otros azucares comerciales como la dextrosa, la lactosa y la
maltosa y productos que contienen estos azucares
2.4.
Se utiliza la rotación óptica para la valoración de sustancias que son
ópticamente activas, entre ellas aceites volátiles, alcaloides y alcanfor,
casi todos estos compuestos exigen el uso de luz monocromática, ya que
la dispersión rotatoria de la mayoría de dichos materiales es diferente de
la del cuarzo
2.5.
Se pueden realizar curvas que relacionan la rotación óptica con la
concentración. Estas pueden ser lineales, parabólicas sin embargo el uso
más extenso de la Polarimetria es en la industria de azúcar, para
determinar la concentración de sacarosa. Si ella está sola en una
solución la rotación óptica es directamente proporcional a la
concentración. Si están presentes otros materiales ópticamente activos
el procedimiento es más complejo, Se tiene que hacer una inversión del
azúcar entonces la concentración será proporcional a la diferencia de la
rotación óptica antes y después de la inversión.
Instrumento
El instrumento empleado es el polarímetro y sacarímetro cuyos componentes
básicos son: una fuente de luz monocromática, un prisma polarizador para
11
Análisis de Productos Agrícolas I
producir radiación polarizada, un tubo de muestra, un prisma analizador con escala
circular y un detector como se observa en la figura 2.
FIGURA 2: ESQUEMA DE LOS COMPONENTES DE UN POLARIMETRO
Escala circular
Fijación de media
sombra
Ventanas
Polarizador
Nicol
Prisma Lippich
Ocular
Tubo de
muestra
Analizador nicol
Lampara
Componentes:
1. Fuente: Como la rotación óptica varía con la longitud de onda, se emplea la luz
monocromática. Por lo general una lampara de vapor de sodio lampara de
mercurio
2. Polarizador Analizador: Es la pieza central de un polarímetro llamado
frecuentemente prisma de Nicol o de Glan-thompson, que trabajan con el
principio de doble refracción y que sirven paras seleccionar el rayo polarizado
linealmente (el rayo de luz Extraordinario) el polarizador mas alejado de la
fuente de luz (por lo general la línea D del sodio) se denomina analizador
Si se ajustan ambos prismas a una porción cruzada en ausencia de muestra se
observa un mínimo de intensidad de luz, al colocar la muestra la rotación del
haz causa un aumento de la intensidad de luz que es contrarrestada por
rotación del prisma analizador. Este cambio angular requerido para reducir al
mínimo la intensidad corresponde a la potencia rotatora de la muestra. La
posición de intensidad mínima no puede determinarse con seguridad por el ojo
por lo que se dispone de dispositivos de media sombra, un pequeño prisma de
nicol llamado prisma Lippich. Este dispositivo intercepta la mitad del haz que
sale del polarizador, entonces si se ajusta a 90° el prisma polarizador con
respecto al analizador, se observa un campo claramente dividido, en una
porción oscura y otra iluminada. La porción iluminada corresponde a la mitad
del haz que ha sido girado por el prisma auxiliar y la porción oscura
corresponde al haz no obstruido. (Por motivos prácticos, los aparatos más
utilizados trabajan de modo visual, llamados polarímetros de semisombra en
ellos el campo visual aparece partido en dos mitades diferenciadas que durante
la medida se comparan para ver si son igual de oscuras. Este método tiene
como ventaja que el ojo humano compara mejor dos superficies claras que la
12
Análisis de Productos Agrícolas I
máxima oscuridad o luminosidad esto se consigue con un prisma Nicol auxiliar
denominado polarizador auxiliar).
Si se ajusta la escala a cero moviendo el analizador se iguala la intensidad de
luz en las dos mitades, al colocar la muestra se gira el analizador hasta que se
obtiene el mismo equilibrio y se lee el ángulo de rotación directamente en la
escala circular del analizador
3. Tubos de muestra: Tubos cilíndricos de 10 a 20 cm construidos de vidrio
4. Sacarímetro: Sacarosa y azucares comerciales. Este instrumento es más
comúnmente utilizado en análisis de azúcar que el polarímetro. Las diferencias
entre un polarímetro y un sacarímetro, es que el polarímetro emplea luz
monocromática y da lecturas del ángulo de rotación, mientras que el
sacarímetro emplea luz blanca y una cuña de cuarzo compensadora además da
lecturas del porcentaje de azúcar directamente.
VII.
Mutarrotación:
Consiste en la aparición en disoluciones recién preparadas, por ejemplo azucares
de una modificación continua de su rotación óptica, la cual permanecerá
constante una vez que haya alcanzado un determinado valor final este proceso va
a depender de la concentración y la velocidad final para alcanzar este valor
depende de la temperatura y del pH.
0237:1994 /67.180.10 CT 10 Azúcar. Determinación de la polarización A
1030:1995 /67.160.20 CT 10 Jugos y néctares. Características generales B
1031:1981 /67.160.20 CT 10 Frutas y productos derivados. Néctares de frutas. Consideraciones generales C
2191:1984 /67.180.10 CT 10 Miel de abejas B
VIII. Bibliografia
Ayres, G. (1970) Análisis Químico Cualitativo. EDICIONES DEL CASTILLO, S.A.
Madrid – España.
Maier, Hans G. (1981) Métodos modernos de análisis de alimentos Tomo I.
EDITORIAL Acribia. Zaragoza
Lees, R. (1971) Food Analysis Analitical and quality control methods for the food
manufacture and buyer
Matissek et al (1992) Análisis de alimentos: Fundamentos, Métodos, Aplicaciones.
Editorial ACRIBIA. Zaragoza España.
13
Análisis de Productos Agrícolas I
Maynard A., J. (1970) Methods in Food Analysis Second Edition
Pomeranz and Meloan (1971) Food Analysis: Teory and practice
Skoog, D. et al (1987) Análisis Instrumental. Segunda Edición Editorial
INTERAMERICANA, S.A. México
14