Tema 7 Refractometría y Polarimetría

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1 Uiversidad Cetral de Veezuela Facultad de Agroomía Departameto de Química y Tecología Cátedra de: Aálisis de Productos Agrícolas I. Tema 7 Refractometría y Polarimetría Profesores de la cátedra: Ig Alejadra Ramírez Ig Fay E. Molia Suárez Ig Marlee Mora Elaborado por: Ig Fay E. Molia Suárez Técico: Heci Meeses 1

2 Refractometría I. Refracció: Cambio e la velocidad y direcció de propagació debido a que pasa de u medio a otro (Figura 1) FIGURA 1: LEY DE REFRACCIÓN Radiació electromagética Reflejada Material Trasmitida Absorbida Dispersada Ivolucra la determiació de: El Ídice de refracció de ua sustacia El porcetaje de Sólidos Solubles ( BRIX) II. El ídice de refracció: Se defie como el cociete etre el seo del águlo de icidecia (se i) y el seo del águlo de refracció (se r) de la luz moocromática, al pasar de u medio meos deso geeralmete aire a u medio más deso (Figura ) El ídice de refracció es ua costate física, característico de cada sustacia, comúmete expresado como: 1 1 se i se r E el vacío: 1 1 y 1 C Etoces se obtiee: C se i se r E geeral: i C i se i se r Dode: i C Idice de refracció de la sustacia Velocidad de propagació e el vacío (es costate) i Velocidad de propagació e el medio

3 El ídice de refracció depede fuertemete de la composició de la muestra, de la temperatura y de la logitud de oda de la luz utilizada, se suele medir co la líea espectral de la luz amarilla del sodio (Líea D= 589m) y a T=O, 5 o 40 C y se deota como: t D Figura : Ley de refracció e los dos medios. E codicioes de laboratorio u ídice de refracció medido co respecto al aire, co la líea D de sodio puede covertirse e co D vac la siguiete ecuació: vac D El Ídice de refracció e Líquidos varía etre 1.3 y 1.8 El Ídice de refracció e Sólidos varía etre 1.3 y.5 Existe ua relació etre el ídice de refracció y la desidad que permite coocer la refractividad específica, la cual es idepediete de la temperatura y se obtiee segú la ecuació de Loretz-loretz: r 1 * d 1 r= Refractividad Específica Dode: Se dice etoces que: d = Desidad 1 M d R * Dode: M = Peso Molecular R r * M R= Refractividad Molar III. Factores que afecta la medició del ídice de refracció 1. Temperatura: Es ua medida del cambio de desidad. La temperatura debe ser cotrolada para poder obteer medicioes precisas de ídice de refracció. Para el líquido medio las fluctuacioes de temperatura debe ser meores de 0. C, si se requiere precisió de cuatro decimales. E geeral u aumeto 3

4 de (T), dismiuye la desidad y el ídice de refracció, el ídice de refracció puede ser corregido e muestras de grasa y aceite por temperatura, usado las siguietes ecuacioes: Aceites: Grasas: Corregida Corregida 0 0, ( T 0 T s ) T s 5 0 0, ( T 0 T s ) T s 40 C C. Presió: E Geeral para los líquidos u aumeto e la presió aumeta la desidad y por ede aumeta el ídice de refracció. E los gases el efecto es más prouciado y para sólidos es aú meor que e los líquidos. La variació e la presió atmosférica solo es importate para trabajo co gases. aire 1,0007 (1atm ) aire 1,03 (100 atm ) 3. Logitud de Oda: El ídice de refracció e u medio trasparete dismiuye gradualmete al aumetar la logitud de oda (Aumeto de logitud de oda, dismiuye el ídice de refracció) IV. Aplicacioes de la Refractometría: 1. Cualitativamete: 1.1. Para describir (Idetificar y Caracterizar) ua especie química por ejemplo aceites y grasas 1.. E la idetificació de sustacias descoocidas por comparació co valores tabulados e la literatura 1.3. E la idetificació de compuestos puros, correlacioado co los putos de ebullició y fusió. Cuatitativamete:.1. Para medir la pureza de u compuesto.. Evaluació de calidad e grasas y aceites.3. Cotrol de procesos de hidrogeació.4. Determiació de sólidos solubles e frutas y productos de frutas tales como jaleas, mermeladas, éctares, pulpas, etc..5. Determiar la cocetració de solucioes acuosas de azúcar (da cocetració total de carbohidratos) 4

5 .6. Determiació de sólidos totales e productos de tomates, jugos cítricos, proteías, huevos, leche, y productos lácteos, cerveza, viagre, alcohol..7. Cálculo de la desidad a partir de valores de r tabulados.8. Determiació cuatitativa del coteido de agua e miel.9. Para determiar el extracto de alimetos que esté formado pricipalmete por azúcar (sacarosa), como los es el caso de las cofituras, miel, jarabe de almidó, zumos etc..10. Evaluar la composició de u líquido biario o ua mezcla gaseosa.11. Determiació de cocetracioes de azufre e caucho o vulcaizado.1. Para evaluar aparatos y métodos para separacioes como destilació, extracció, Cromatografía de adsorció y difusió V. Istrumetos para medir el ídice de refracció 1. Los Refractómetros: a) Los que se basa e la medició del águlo crítico b) Los basados e la determiació del desplazamieto de ua image. Los Iterferómetros: Utiliza el feómeo de la iterferecia para obteer ídices de refracció difereciales, co alta precisió. VI. Refractómetro de Águlo Crítico: So los istrumetos más usados FIGURA 3: ÁNGULO CRÍTICO El águlo crítico se forma, cuado el águlo del rayo icidete se ecuetra a u ivel tal que el águlo de refracció llega a ser de 90 (Figura 3), es decir la radiació o pasa del medio 1 al medio, pero viaja a lo largo de la superficie de la divisió perpedicular a la ormal, e forma rasate a la superficie. E otras palabras es el águlo para el cual el águlo de refracció es de 90, y tras el cual la reflexió total es obteida. 5

6 Clasificació: 1. Refractómetro de Imersió: El prisma queda sumergido e la muestra y sobre la cara del prisma se refleja la luz blaca procedete de u espejo. Posee u solo prisma Amici el cual es u compesador que permite el uso de radiació de ua fuete de tugsteo, ya que compesa la luz dispersada e luz blaca e fució de la líea D del sodio. (Figura 4) las características del Refractómetro de Imersió so: FIGURA 4: PRISMA AMICI Roja Luz Dispersada Amarilla Azul Luz Blaca 1.1. Es el más secillo de los Refractómetros de águlo crítico 1.. Requiere muestras grades 1.3. Lectura que debe ser trasformada e ídices de refracció por tablas 1.4. Rago de = 1.3 a U prisma sólo abarca = 0.04, por lo que usa prismas itercambiables para cubrir el rago de lectura 1.6. Apreciació de uidades 1.7. Dificultad para mateer costate la temperatura 1.8. Usado extesamete e aálisis cuatitativo de solucioes acuosas. Refractómetro ABBE: Es el más cómodo y más usado, la muestra queda coteida como ua capa delgada de 0.01mm etre dos prismas. El prisma superior puede rotar ya que preseta u puto de apoyo, el iferior forma bisagra co el superior para permitir su limpieza e itroducció de la muestra (Figura 5).1. Versátil, práctico.. Más geeralizado.3. Requiere muestras pequeñas.4. Da lecturas de y de Brix.5. Rago de de 1.3 a 1.7 6

7 .6. Puede usar luz blaca o luz de sodio.7. Precisió 0.001, Brix 0.5 uidades.8. Más usado e alimetos.9. Sistema comparador formado por prismas Amici.10. Existe tres modelos e el mercado: Modelo ABBE Completo: Usa luz Blaca, mide Aálisis de Productos Agrícolas I t D como Brix Modelo ABBE Completo: Usa luz amarilla, mide sólidos solubles Modelo ABBE Maual: Usa luz Amarilla, mide Brix FIGURA 5: REFRACTÓMETRO ABBE Prismas Letes Fuete Espejo Amici Telescopio 3. Refractómetro Pulfrich: La muestra se matiee sobre la superficie horizotal del prisma por medio de u cilidro de vidrio muy ajustado. El límite crítico se observa co u telescopio motado sobre ua tabla giratoria calibrada, el se determia por la posició del telescopio respecto al prisma. Tiee u bloque grade lo que lo hace meos cómodo Correcció a 0 C Puede determiar el ídice de refracció e sólidos y líquidos Maejo de la muestra Mateer la temperatura costate Es más preciso que el ABBE VII. Normas COVENIN Covei ICS Titulo 094: Frutas y productos derivados. Determiació de sólidos solubles por Refractometría 070: Aceites y grasas vegetales. Determiació del ídice de refracció 7

8 Polarimetría Es u método de aálisis químico que os permite medir el cambio que sufre el plao de luz polarizada cuado atraviesa u medio trasparete formado por sustacias ópticamete activas I. Luz Polarizada: FIGURA 1: LUZ POLARIZADA Haz de luz o polarizada P O L A R I Z A D O R Plao polarizado La luz polarizada se obtiee cuado se logra que la radiació vibre e u solo plao co respecto al haz de la trayectoria (Figura 1). La vibració se da e u solo plao e el espacio. La luz polarizada se obtiee por reflexió y por refracció. II. Como se obtiee luz Polarizada: La luz polarizada liealmete se obtiee a partir de la luz atural, cuado co los dispositivos ópticos adecuados (por ejemplo prismas de Nicol, filtros de polarizació) se elimia todos aquellos compoetes cuyas vibracioes o se produce e ua determiada superficie, el deomiado plao de polarizació. Formas de Obteció: 1. Por Reflexió: El águlo de icidecia al cual la luz reflejada es completamete polarizada es llamado águlo polarizate: ta i = (dode = Idice de refracció del vidrio) debido a la perdida de la itesidad de la luz por los feómeos de absorció y trasmisió Se obtiee luz muy débil 1.. Cuerpos trasparetes: refleja poco y trasmite mucho 1.3. Es poco usada esta forma de obteer luz polarizada. Por Refracció: Cuado se hace icidir u haz de radiació moocromática o polarizada sobre líquidos y gases ópticamete aisotrópicos, al igual que sobre sólidos que cristaliza e forma cubica y sólidos o cristalios, ocurre ua doble refracció de dicho haz dode el haz de radiació es dividido e dos rayos 8

9 polarizados es decir descompoe u rayo moocromático (o polarizada) e dos rayos polarizados.1. El rayo ordiario (O) se desplaza co igual velocidad e todas las direccioes y.. El extraordiario (E) su desplazamieto es efectuado co mayor velocidad e alguas direccioes que e otras. La velocidad del rayo ordiario es igual a la del rayo extraordiario e la direcció del eje óptico e los cristales aisotrópicos, alguos cristales aisotrópicos puede exhibir ejes ópticos. El ídice de refracció del rayo ordiario (O) es e muchos casos mayor que el (E) III. Actividad óptica: Medida de la capacidad de ciertas sustacias de hacer girar la luz polarizada plaa. E el polarímetro se trabaja co sustacias ópticamete activas que se clasifica e: Dextrogiras: Desvía la luz hacia la derecha Levogiras: Desvía la luz polarizada hacia la izquierda Los azucares so compuestos ópticamete activos, alguos como la fructosa (ver tabla 1) so levorrotatorios (gira la luz hacia la izquierda) y otros so dextrorotatorios (glucosa, sacarosa) cada azúcar tiee ua rotació específica característica. TABLA 1: ROTACIÓN ESPECÍFICA DE ALGUNOS AZUCARES. Azúcar t 0C D Glucosa 5.5 Fructosa -9.5 Azúcar Ivertido -0 Sacarosa 66.5 Lactosa IV. Variables que afecta la rotació óptica: La rotació de radiació polarizada plaa puede variar desde varios cietos de grados hasta uas pocas cetésimas de grado, las variables experimetales que puede ifluir so: 9

10 1. El úmero de moléculas e la bada de radiació (cocetració de la disolució a medir). La aturaleza del solvete usado (geeralmete se emplea agua) 3. La temperatura: es casi lieal 4. El espesor de la capa atravesada 5. La logitud de oda de la radiació (luz polarizada): e la medida que dismiuye la logitud de oda aumeta la rotació óptica 6. Logitud de la trayectoria óptica: Iversamete proporcioal La relació etre la capacidad rotatoria óptica y la estructura molecular es muy complicada. La capacidad rotatoria de ua molécula ópticamete activa es costate para uas codicioes determiadas y se utiliza por ello e su caracterizació. Además la capacidad rotatoria sirve para determiar la cocetració, cuado existe proporcioalidad co respecto a la cocetració de la sustacia e disolució y si la medida se realiza a espesor de capa costate. E Polarimetria se mide la rotació específica, que es ua característica de las sustacias ópticamete activas: t c * l t = Rotació específica = c = l = Agulo de rotació Cocetració e gramos/ml Logitud del tubo e decímetros La rotació específica se defie como la rotació agular e grados causada por la logitud de 1 dm de ua solució cuado la cocetració es de: 1 gramo/ml. Se ecuetra tambié el térmio de rotació molecular que se defie como: M M 100 Dode: M M = Rotació Molecular =Peso Molecular 10

11 V. Aplicació: 1. Cualitativo: 1.1. La rotació óptica de u compuesto puro es ua costate física útil para fies de idetificació juto co la medida de otras propiedades físicas. La rotació óptica para diferetes azucares está tubulado tomado t=0 y Logitud de oda de 589m 1.. Para idetificar ciertos líquidos o solucioes como amioácidos, esteroides, alcaloides y carbohidratos. Cuatitativo:.1. Para medir la cocetració de compuestos que so ópticamete activos por ej.: carbohidratos como sacarosa, azúcar ivertido y glucosa o almidó (medició cuatitativa de hidratos de carboo) o medir el grado de coversió de ellos e procesos químicos o ezimáticos... Aálisis del azúcar de la remolacha..3. Aálisis de otros azucares comerciales como la dextrosa, la lactosa y la maltosa y productos que cotiee estos azucares.4. Se utiliza la rotació óptica para la valoració de sustacias que so ópticamete activas, etre ellas aceites volátiles, alcaloides y alcafor, casi todos estos compuestos exige el uso de luz moocromática, ya que la dispersió rotatoria de la mayoría de dichos materiales es diferete de la del cuarzo.5. Se puede realizar curvas que relacioa la rotació óptica co la cocetració. Estas puede ser lieales, parabólicas si embargo el uso más exteso de la Polarimetria es e la idustria de azúcar, para determiar la cocetració de sacarosa. Si ella está sola e ua solució la rotació óptica es directamete proporcioal a la cocetració. Si está presetes otros materiales ópticamete activos el procedimieto es más complejo, Se tiee que hacer ua iversió del azúcar etoces la cocetració será proporcioal a la diferecia de la rotació óptica ates y después de la iversió. VI. Istrumeto El istrumeto empleado es el polarímetro y sacarímetro cuyos compoetes básicos so: ua fuete de luz moocromática, u prisma polarizador para 11

12 producir radiació polarizada, u tubo de muestra, u prisma aalizador co escala circular y u detector como se observa e la figura. FIGURA : ESQUEMA DE LOS COMPONENTES DE UN POLARIMETRO Escala circular Fijació de media sombra Polarizador Nicol Vetaas Ocular Lampara Prisma Lippich Tubo de muestra Aalizador icol Compoetes: 1. Fuete: Como la rotació óptica varía co la logitud de oda, se emplea la luz moocromática. Por lo geeral ua lampara de vapor de sodio lampara de mercurio. Polarizador Aalizador: Es la pieza cetral de u polarímetro llamado frecuetemete prisma de Nicol o de Gla-thompso, que trabaja co el pricipio de doble refracció y que sirve paras seleccioar el rayo polarizado liealmete (el rayo de luz Extraordiario) el polarizador mas alejado de la fuete de luz (por lo geeral la líea D del sodio) se deomia aalizador Si se ajusta ambos prismas a ua porció cruzada e ausecia de muestra se observa u míimo de itesidad de luz, al colocar la muestra la rotació del haz causa u aumeto de la itesidad de luz que es cotrarrestada por rotació del prisma aalizador. Este cambio agular requerido para reducir al míimo la itesidad correspode a la potecia rotatora de la muestra. La posició de itesidad míima o puede determiarse co seguridad por el ojo por lo que se dispoe de dispositivos de media sombra, u pequeño prisma de icol llamado prisma Lippich. Este dispositivo itercepta la mitad del haz que sale del polarizador, etoces si se ajusta a 90 el prisma polarizador co respecto al aalizador, se observa u campo claramete dividido, e ua porció oscura y otra ilumiada. La porció ilumiada correspode a la mitad del haz que ha sido girado por el prisma auxiliar y la porció oscura correspode al haz o obstruido. (Por motivos prácticos, los aparatos más utilizados trabaja de modo visual, llamados polarímetros de semisombra e ellos el campo visual aparece partido e dos mitades difereciadas que durate la medida se compara para ver si so igual de oscuras. Este método tiee como vetaja que el ojo humao compara mejor dos superficies claras que la 1

13 máxima oscuridad o lumiosidad esto se cosigue co u prisma Nicol auxiliar deomiado polarizador auxiliar). Si se ajusta la escala a cero moviedo el aalizador se iguala la itesidad de luz e las dos mitades, al colocar la muestra se gira el aalizador hasta que se obtiee el mismo equilibrio y se lee el águlo de rotació directamete e la escala circular del aalizador 3. Tubos de muestra: Tubos cilídricos de 10 a 0 cm costruidos de vidrio 4. Sacarímetro: Sacarosa y azucares comerciales. Este istrumeto es más comúmete utilizado e aálisis de azúcar que el polarímetro. Las diferecias etre u polarímetro y u sacarímetro, es que el polarímetro emplea luz moocromática y da lecturas del águlo de rotació, mietras que el sacarímetro emplea luz blaca y ua cuña de cuarzo compesadora además da lecturas del porcetaje de azúcar directamete. VII. Mutarrotació: Cosiste e la aparició e disolucioes recié preparadas, por ejemplo azucares de ua modificació cotiua de su rotació óptica, la cual permaecerá costate ua vez que haya alcazado u determiado valor fial este proceso va a depeder de la cocetració y la velocidad fial para alcazar este valor depede de la temperatura y del ph. 037:1994 / CT 10 Azúcar. Determiació de la polarizació A 1030:1995 / CT 10 Jugos y éctares. Características geerales B 1031:1981 / CT 10 Frutas y productos derivados. Néctares de frutas. Cosideracioes geerales C 191:1984 / CT 10 Miel de abejas B VIII. Bibliografia Ayres, G. (1970) Aálisis Químico Cualitativo. EDICIONES DEL CASTILLO, S.A. Madrid España. Maier, Has G. (1981) Métodos moderos de aálisis de alimetos Tomo I. EDITORIAL Acribia. Zaragoza Lees, R. (1971) Food Aalysis Aalitical ad quality cotrol methods for the food maufacture ad buyer Matissek et al (199) Aálisis de alimetos: Fudametos, Métodos, Aplicacioes. Editorial ACRIBIA. Zaragoza España. 13

14 Mayard A., J. (1970) Methods i Food Aalysis Secod Editio Pomeraz ad Meloa (1971) Food Aalysis: Teory ad practice Aálisis de Productos Agrícolas I Skoog, D. et al (1987) Aálisis Istrumetal. Seguda Edició Editorial INTERAMERICANA, S.A. México 14

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