PO L A R I Z A D O

1

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

AAnnáálliissiiss ddee PPrroodduuccttooss AAggrrííccoollaass II

2

Refractometría

II.. RReeffrraacccciióónn::

Cambio en la velocidad y dirección de propagación debido a que pasa de un medio

a otro (Figura 1)

FIGURA 1: LEY DE REFRACCIÓN

Involucra la determinación de:

El Índice de refracción de una sustancia n

El porcentaje de Sólidos Solubles (°BRIX)

IIII.. EEll íínnddiiccee ddee rreeffrraacccciióónn::

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:

r

i

n

n

sen

sen

2

1

1

2

En el vacío: 11 n y C1

Entonces se obtiene: r

iCn

sen

sen

2

2

En general: r

iCn

i

isen

sen

Donde: in Indice de refracción de la sustancia

C Velocidad de propagación en el vacío (es constante)

i Velocidad de propagación en el medio

Material

Transmitida

Reflejada Dispersada

Radiaciónelectromagnética Absorbida


3

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: t

Dn

Figura 2: Ley de refracción en los dos medios.

En condiciones de laboratorio un

índice de refracción Dn medido con

respecto al aire, con la línea D de

sodio puede convertirse en vacn con

la siguiente ecuación:

Dvac nn 00027.1

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:

dn

nr

1*

2

12

2

r= Refractividad Específica

Donde: d = Densidad

M = Peso Molecular

Se dice entonces que: MrR *

d

M

n

nR *

2

12

2

Donde: R= Refractividad Molar

IIIIII.. FFaaccttoorreess qquuee aaffeeccttaann llaa mmeeddiicciióónn ddeell íínnddiiccee ddee rreeffrraacccciióónn

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


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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: CTTTnn ssCorregida

25)(000385,0 00

Grasas: CTTTnn ssCorregida

40)(000365,0 00

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.

)1(00027,1 atmn aire

)100(03,1 atmnaire

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)

IIVV.. AApplliiccaacciioonneess ddee llaa RReeffrraaccttoommeettrrííaa::

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)


5

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

VV.. IInnssttrruummeennttooss ppaarraa mmeeddiirr eell íínnddiiccee ddee rreeffrraacccciióónn

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.

VVII.. RReeffrraaccttóómmeettrroo ddee ÁÁnngguulloo CCrrííttiiccoo:: SSoonn llooss iinnssttrruummeennttooss mmááss

uussaaddooss

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.


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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

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

Luz

Dispersada

Roja

Amarilla

Azul

Luz

Blanca


7

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:

Modelo ABBE Completo: Usa luz Blanca, mide t

Dn como °Brix

Modelo ABBE Completo: Usa luz amarilla, mide sólidos solubles

Modelo ABBE Manual: Usa luz Amarilla, mide °Brix

FIGURA 5: REFRACTÓMETRO ABBE

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

VVIIII.. NNoorrmmaass CCOOVVEENNIINN

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

AmiciAmici TelescopioTelescopioFuenteFuente

EspejoEspejo

Prismas 2Prismas 2 LentesLentes


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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

II.. LLuuzz PPoollaarriizzaaddaa::

FIGURA 1: LUZ POLARIZADA

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.

IIII.. CCoommoo ssee oobbttiieennee lluuzz PPoollaarriizzaaddaa::

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

Haz de luznopolarizada

P

O

L

A

R

I

Z

A

D

O

R

Planopolarizado


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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)

IIIIII.. AAccttiivviiddaadd óóppttiiccaa::

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: Desvían la luz polarizada hacia la izquierda

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.

IIVV.. VVaarriiaabblleess qquuee aaffeeccttaann llaa rroottaacciióónn óóppttiiccaa::

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:

-

+

Azúcar

Glucosa 52.5Fructosa -92.5Azúcar Invertido -20Sacarosa 66.5

Lactosa 52.5

Ct

D

20


10

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:

lc

t

*

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:

100

MM

Donde: M = Rotación Molecular

M =Peso Molecular


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VV.. AApplliiccaacciióónn::

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:

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.

VVII.. IInnssttrruummeennttoo

El instrumento empleado es el polarímetro y sacarímetro cuyos componentes básicos son: una fuente de luz monocromática, un prisma polarizador para


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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

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

Lampara

PolarizadorNicol

Prisma Lippich

Fijación de mediasombra

Tubo demuestra

Ventanas

Analizador nicol

Ocular

Escala circular


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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.

VVIIII.. MMuuttaarrrroottaacciióónn::

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

VVIIIIII.. BBiibblliiooggrraaffiiaa

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.

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Matissek et al (1992) Análisis de alimentos: Fundamentos, Métodos, Aplicaciones. Editorial ACRIBIA. Zaragoza España.

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mailto:

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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

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