- Base
- Types de polarimètre
- Manuels
- Automatique et numérique
- Fonctionnement et pièces
- Laurent Polarimètre
- Loi de Biot
- Avantages et inconvénients
- Avantages et inconvénients du polarimètre manuel
- Avantages et inconvénients des polarimètres automatiques et numériques
- Applications
La polarimétrie mesure la rotation d'un faisceau lumineux polarisé subit lorsqu'il traverse une substance optiquement active qui peut être un verre (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,
Base
Le fondement physique de cette technique réside dans les propriétés de la lumière en tant qu'onde électromagnétique, consistant en un champ électrique et 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 qui proviennent de chaque atome et que 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.
Si en plus l'onde lumineuse est constituée d'une seule longueur d'onde, on a un faisceau monochromatique 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 comme des substances optiquement actives, par exemple des sucres.
Types de polarimètre
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 préférés lorsqu'un grand nombre de mesures est nécessaire 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 proposent la lecture sur 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 basique utilise deux prismes de Nicol ou plaques Polaroid, entre lesquels 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. En utilisant un cristal de calcite ou de spath 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 était largement utilisé dans la construction de polarimètres.
Figure 4. Cristal de calcite biréfringent. Source: Wikimedia Commons. APN MJM.
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 modèles plus anciens utilisaient des prismes de Nicol, tandis que les plus modernes utilisent généralement des feuilles Polaroid, faites de molécules d'hydrocarbures à longue chaîne avec des atomes d'iode.
- Un porte-échantillon. Où est placée la substance à analyser, dont la longueur est variable, mais exactement connue.
- Un oculaire et des indicateurs munis d'échelles de 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 lumière.
Vous avez la mesure la plus précise lorsque l'analyseur est tourné de telle sorte que tous les champs sont également sombres.
Figure 6. Lecture manuelle du polarimètre. Source: F. Zapata.
Loi de Biot
La loi de Biot met en relation la puissance de rotation α d'une substance optiquement active, mesurée en degrés sexagésimaux, avec la concentration c de ladite substance - lorsqu'elle est 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 et 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 sont généralement tabulées à 20 ° C pour la lumière au 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 =.ℓ
- Liquides purs: α =. ℓ.ρ
- Solutions avec des solutés ayant une activité optique: α =. ℓ.c
- Échantillons avec plusieurs composants optiquement actifs: ∑α i
Avec les quantités 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 prévue.
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 n'est applicable à aucune substance, uniquement à celles qui ont une activité optique ou des substances chirales, comme elles sont également connues.
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 ont tendance à être 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 résistants et durables.
- La lecture de la mesure est un peu plus laborieuse, surtout si la substance à analyser a une faible puissance de rotation, donc l'opérateur est généralement du 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 l'imprimante ou le 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.
- Contrôlez efficacement la température, paramètre qui influence le plus la mesure.
- Certains modèles sont chers.
- Ils nécessitent un entretien.
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 ainsi utilisés sont également appelés saccharimètres et utilisent une échelle particulière, différente de celle utilisée dans d'autres applications: l'échelle ºZ.
Figure 7. Le contrôle qualité de la teneur en sucre des vins et jus de fruits est réalisé par polarimétrie. Source: Pixabay.
- Toujours en 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 oculaires.
- Dans les dispositifs de télédétection par satellite pour l'observation des navires en haute mer, des zones de pollution au milieu de l'océan ou sur terre, grâce à la prise d'images à fort contraste.
- L'industrie chimique utilise la polarimétrie pour distinguer les isomères optiques. Ces substances ont des propriétés chimiques identiques, car leurs molécules ont la même composition et la même 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 à gauche (gaucher) et l'autre à droite (droitier), toujours du point de vue de l'observateur.
- AGS Analytique. À quoi sert un polarimètre? Récupéré de: agsanalitica.com.
- Chang, R. Chimie. 2013. Onzième édition. McGraw Hill.
- Gavira, J. Polarimétrie. Récupéré de: triplenlace.com.
- Instruments scientifiques. Polarimètres. Récupéré de: uv.es.
- Université polytechnique de Valence. Application de la polarimétrie à la
détermination de la pureté d'un sucre. Récupéré de: riunet.upv.es.