refractometria y polarimetria 2013

1

Universidad Central de Venezuela

Facultad de Agronoma

Departamento de Qumica y Tecnologa

Ctedra de: Anlisis de Productos Agrcolas I.

Tema 7

Refractometra y Polarimetra

Profesores de la ctedra:

Ing Alejandra Ramrez

Ing Fanny E. Molina Surez

Ing Marlene Mora

Elaborado por:

Ing Fanny E. Molina Surez

Tcnico:

Hecni Meneses

AAnnlliissiiss ddee PPrroodduuccttooss AAggrrccoollaass II

2

Refractometra

II.. RReeffrraacccciinn::

Cambio en la velocidad y direccin de propagacin debido a que pasa de un medio

a otro (Figura 1)

FIGURA 1: LEY DE REFRACCIN

Involucra la determinacin de:

El ndice de refraccin de una sustancia n

El porcentaje de Slidos Solubles (BRIX)

IIII.. EEll nnddiiccee ddee rreeffrraacccciinn::

Se define como el cociente entre el seno del ngulo de incidencia (sen i) y el seno del ngulo de refraccin (sen r) de la luz monocromtica, al pasar de un medio menos denso generalmente aire a un medio ms denso (Figura 2)

El ndice de refraccin es una constante fsica, caracterstico de cada sustancia,

comnmente expresado como:

r

i

n

n

sen

sen

2

1

1

2

En el vaco: 11 n y C1

Entonces se obtiene: r

iCn

sen

sen

2

2

En general: r

iCn

i

isen

sen

Donde: in Indice de refraccin de la sustancia

C Velocidad de propagacin en el vaco (es constante)

i Velocidad de propagacin en el medio

Material

Transmitida

Reflejada Dispersada

Radiacinelectromagntica Absorbida


3

El ndice de refraccin depende fuertemente de la composicin de la muestra, de la temperatura y de la longitud de onda de la luz utilizada, se suele medir n con la lnea espectral de la luz amarilla del sodio (Lnea D= 589nm) y a T=2O, 25 o 40C

y se denota como: tDn

Figura 2: Ley de refraccin en los dos medios.

En condiciones de laboratorio un

ndice de refraccin Dn medido con

respecto al aire, con la lnea D de

sodio puede convertirse en vacn con

la siguiente ecuacin:

Dvac nn 00027.1

El ndice de refraccin en Lquidos

vara entre 1.3 y 1.8

El ndice de refraccin en Slidos

vara entre 1.3 y 2.5

Existe una relacin entre el ndice de refraccin y la densidad que permite conocer la refractividad especfica, la cual es independiente de la temperatura y se obtiene

segn la ecuacin de Lorentz-lorentz:

dnn

r1

*2

12

2

r= Refractividad Especfica

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 mmeeddiicciinn ddeell nnddiiccee ddee rreeffrraacccciinn

1. Temperatura: Es una medida del cambio de densidad. La temperatura debe ser controlada para poder obtener mediciones precisas de ndice de refraccin. Para el lquido medio las fluctuaciones de temperatura deben ser menores de 0.2 C, si se requiere precisin de cuatro decimales. En general un aumento


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de (T), disminuye la densidad y el ndice de refraccin, el ndice de refraccin puede ser corregido en muestras de grasa y aceite por temperatura, usando las

siguientes ecuaciones:

Aceites: CTTTnn ssCorregida25)(000385,0 00

Grasas: CTTTnn ssCorregida40)(000365,0 00

2. Presin: En General para los lquidos un aumento en la presin aumenta la

densidad y por ende aumenta el ndice de refraccin.

En los gases el efecto es ms pronunciado y para slidos es an menor que en los lquidos. La variacin en la presin atmosfrica solo es importante para trabajo con gases.

)1(00027,1 atmn aire

)100(03,1 atmnaire

3. Longitud de Onda: El ndice de refraccin en un medio transparente disminuye gradualmente al aumentar la longitud de onda (Aumento de longitud

de onda, disminuye el ndice de refraccin)

IIVV.. AApplliiccaacciioonneess ddee llaa RReeffrraaccttoommeettrraa::

1. Cualitativamente:

1.1. Para describir (Identificar y Caracterizar) una especie qumica por

ejemplo aceites y grasas

1.2. En la identificacin de sustancias desconocidas por comparacin con valores tabulados en la literatura

1.3. En la identificacin de compuestos puros, correlacionado con los puntos

de ebullicin y fusin

2. Cuantitativamente:

2.1. Para medir la pureza de un compuesto

2.2. Evaluacin de calidad en grasas y aceites

2.3. Control de procesos de hidrogenacin

2.4. Determinacin de slidos solubles en frutas y productos de frutas tales

como jaleas, mermeladas, nctares, pulpas, etc.

2.5. Determinar la concentracin de soluciones acuosas de azcar (da

concentracin total de carbohidratos)


5

2.6. Determinacin de slidos totales en productos de tomates, jugos ctricos,

protenas, huevos, leche, y productos lcteos, cerveza, vinagre, alcohol.

2.7. Clculo de la densidad a partir de valores de r tabulados

2.8. Determinacin cuantitativa del contenido de agua en miel

2.9. Para determinar el extracto de alimentos que est formado principalmente por azcar (sacarosa), como los es el caso de las

confituras, miel, jarabe de almidn, zumos etc.

2.10. Evaluar la composicin de un lquido binario o una mezcla gaseosa

2.11. Determinacin de concentraciones de azufre en caucho no vulcanizado

2.12. Para evaluar aparatos y mtodos para separaciones como destilacin, extraccin, Cromatografa de adsorcin y difusin

VV.. IInnssttrruummeennttooss ppaarraa mmeeddiirr eell nnddiiccee ddee rreeffrraacccciinn

1. Los Refractmetros:

a) Los que se basan en la medicin del ngulo crtico

b) Los basados en la determinacin del desplazamiento de una imagen

2. Los Interfermetros:

Utilizan el fenmeno de la interferencia para obtener ndices de refraccin diferenciales, con alta precisin.

VVII.. RReeffrraaccttmmeettrroo ddee nngguulloo CCrrttiiccoo:: SSoonn llooss iinnssttrruummeennttooss mmss

uussaaddooss

FIGURA 3: NGULO CRTICO

El ngulo crtico se forma, cuando el ngulo del rayo incidente se encuentra a un nivel tal que el ngulo de refraccin llega a ser de 90 (Figura 3), es decir la radiacin no pasa del medio 1 al medio 2, pero viaja a lo largo de la superficie de la divisin perpendicular a la normal, en forma rasante a la superficie. En otras palabras es el ngulo para el cual el ngulo de refraccin es de 90, y tras el cual

la reflexin total es obtenida.


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Clasificacin:

1. Refractmetro de Inmersin: 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 radiacin de una fuente de tungsteno, ya que compensa la luz dispersada en luz blanca en funcin de la lnea D del sodio. (Figura 4) las caractersticas del

Refractmetro de Inmersin son:

FIGURA 4: PRISMA AMICI

1.1. Es el ms sencillo de los Refractmetros de ngulo crtico

1.2. Requiere muestras grandes

1.3. Lectura que debe ser transformada en ndices de refraccin por tablas

1.4. Rango de n = 1.32 a 1.54

1.5. Un prisma slo abarca n = 0.04, por lo que usa prismas intercambiables para cubrir el rango de lectura

1.6. Apreciacin de 0.0002 unidades

1.7. Dificultad para mantener constante la temperatura

1.8. Usado extensamente en anlisis cuantitativo de soluciones acuosas

2. Refractmetro ABBE: Es el ms cmodo y ms 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 introduccin de la muestra

(Figura 5)

2.1. Verstil, prctico

2.2. Ms generalizado

2.3. Requiere muestras pequeas

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. Precisin 0.001, Brix 0.5 unidades

2.8. Ms 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 slidos solubles

Modelo ABBE Manual: Usa luz Amarilla, mide Brix

FIGURA 5: REFRACTMETRO ABBE

3. Refractmetro Pulfrich: La muestra se mantiene sobre la superficie horizontal del prisma por medio de un cilindro de vidrio muy ajustado. El lmite crtico se observa con un telescopio montado sobre una tabla giratoria calibrada, el n se determina por la posicin del telescopio respecto al prisma.

Tiene un bloque grande lo que lo hace menos cmodo

Correccin a 20C

Puede determinar el ndice de refraccin en slidos y lquidos

Manejo de la muestra

Mantener la temperatura constante

Es ms preciso que el ABBE

VVIIII.. NNoorrmmaass CCOOVVEENNIINN

Covenin ICS Titulo

0924:1983 67.080.10 Frutas y productos derivados. Determinacin de slidos solubles por Refractometra

0702:2001 67.200.10 Aceites y grasas vegetales. Determinacin del ndice de refraccin

AmiciAmici TelescopioTelescopioFuenteFuente

EspejoEspejo

Prismas 2Prismas 2 LentesLentes


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Polarimetra

Es un mtodo de anlisis qumico que nos permite medir el cambio que sufre el plano de luz polarizada cuando atraviesa un medio transparente formado por

sustancias pticamente activas

II.. LLuuzz PPoollaarriizzaaddaa::

FIGURA 1: LUZ POLARIZADA

La luz polarizada se obtiene cuando se logra que la radiacin vibre en un solo plano con respecto al haz de la trayectoria (Figura 1). La vibracin se da en un solo plano en el espacio. La luz polarizada se obtiene por

reflexin y por refraccin.

IIII.. CCoommoo ssee oobbttiieennee lluuzz PPoollaarriizzaaddaa::

La luz polarizada linealmente se obtiene a partir de la luz natural, cuando con los dispositivos pticos adecuados (por ejemplo prismas de Nicol, filtros de polarizacin) se eliminan todos aquellos componentes cuyas vibraciones no se producen en una determinada superficie, el denominado plano de polarizacin.

Formas de Obtencin:

1. Por Reflexin: El ngulo de incidencia al cual la luz reflejada es completamente polarizada es llamado ngulo polarizante: tan i = n (donde n = Indice de refraccin del vidrio) debido a la perdida de la intensidad de la luz por los

fenmenos de absorcin y transmisin.

1.1. Se obtiene luz muy dbil

1.2. Cuerpos transparentes: reflejan poco y transmiten mucho

1.3. Es poco usada esta forma de obtener luz polarizada

2. Por Refraccin: Cuando se hace incidir un haz de radiacin monocromtica no polarizada sobre lquidos y gases pticamente anisotrpicos, al igual que sobre slidos que cristalizan en forma cubica y slidos no cristalinos, ocurre una doble refraccin de dicho haz donde el haz de radiacin 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 monocromtico (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 direccin del eje ptico en los cristales anisotrpicos, algunos cristales

anisotrpicos pueden exhibir 2 ejes pticos.

El ndice de refraccin del rayo ordinario n (O) es en muchos casos mayor que el n (E)

IIIIII.. AAccttiivviiddaadd ppttiiccaa::

Medida de la capacidad de ciertas sustancias de hacer girar la luz polarizada plana.

En el polarmetro se trabaja con sustancias pticamente activas que se clasifican

en:

Dextrogiras: Desvan la luz hacia la derecha

Levogiras: Desvan la luz polarizada hacia la izquierda

Los azucares son compuestos pticamente activos, algunos como la fructosa (ver tabla 1) son levorrotatorios (giran la luz hacia la izquierda) y otros son dextrorotatorios (glucosa, sacarosa) cada azcar tiene una rotacin especfica

caracterstica.

TABLA 1: ROTACIN ESPECFICA DE ALGUNOS AZUCARES.

IIVV.. VVaarriiaabblleess qquuee aaffeeccttaann llaa rroottaacciinn ppttiiccaa::

La rotacin de radiacin polarizada plana puede variar desde varios cientos de grados hasta unas pocas centsimas de grado, las variables experimentales que pueden influir son:

-

+

Azcar

Glucosa 52.5Fructosa -92.5Azcar Invertido -20Sacarosa 66.5

Lactosa 52.5

CtD20


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1. El nmero de molculas en la banda de radiacin (concentracin de la

disolucin 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 radiacin (luz polarizada): en la medida que

disminuye la longitud de onda aumenta la rotacin ptica

6. Longitud de la trayectoria ptica: Inversamente proporcional

La relacin entre la capacidad rotatoria ptica y la estructura molecular es muy complicada. La capacidad rotatoria de una molcula pticamente activa es constante para unas condiciones determinadas y se utiliza por ello en su caracterizacin. Adems la capacidad rotatoria sirve para determinar la concentracin, cuando existe proporcionalidad con respecto a la concentracin de

la sustancia en disolucin y si la medida se realiza a espesor de capa constante.

En Polarimetria se mide la rotacin especfica, que es una caracterstica de las sustancias pticamente activas:

lc

t

*

t = Rotacin especfica

= Angulo de rotacin

c= Concentracin en gramos/ml

l= Longitud del tubo en decmetros

La rotacin especfica se define como la rotacin angular en grados causada por la longitud de 1 dm de una solucin cuando la concentracin es de: 1 gramo/ml. Se encuentra tambin el trmino de rotacin molecular que se define como:

100

MM

Donde: M = Rotacin Molecular

M =Peso Molecular


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VV.. AApplliiccaacciinn::

1. Cualitativo:

1.1. La rotacin ptica de un compuesto puro es una constante fsica til para fines de identificacin junto con la medida de otras propiedades fsicas. La rotacin ptica para diferentes azucares est tubulado

tomando t=20 y Longitud de onda de 589nm

1.2. Para identificar ciertos lquidos o soluciones como aminocidos, esteroides, alcaloides y carbohidratos

2. Cuantitativo:

2.1. Para medir la concentracin de compuestos que son pticamente activos por ej.: carbohidratos como sacarosa, azcar invertido y glucosa o almidn (medicin cuantitativa de hidratos de carbono) o medir el grado

de conversin de ellos en procesos qumicos o enzimticos.

2.2. Anlisis del azcar de la remolacha.

2.3. Anlisis de otros azucares comerciales como la dextrosa, la lactosa y la maltosa y productos que contienen estos azucares

2.4. Se utiliza la rotacin ptica para la valoracin de sustancias que son pticamente activas, entre ellas aceites voltiles, alcaloides y alcanfor, casi todos estos compuestos exigen el uso de luz monocromtica, ya que la dispersin rotatoria de la mayora de dichos materiales es diferente de la del cuarzo

2.5. Se pueden realizar curvas que relacionan la rotacin ptica con la concentracin. Estas pueden ser lineales, parablicas sin embargo el uso ms extenso de la Polarimetria es en la industria de azcar, para determinar la concentracin de sacarosa. Si ella est sola en una solucin la rotacin ptica es directamente proporcional a la concentracin. Si estn presentes otros materiales pticamente activos el procedimiento es ms complejo, Se tiene que hacer una inversin del azcar entonces la concentracin ser proporcional a la diferencia de la

rotacin ptica antes y despus de la inversin.

VVII.. IInnssttrruummeennttoo

El instrumento empleado es el polarmetro y sacarmetro cuyos componentes bsicos son: una fuente de luz monocromtica, un prisma polarizador para


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producir radiacin 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 rotacin ptica vara con la longitud de onda, se emplea la luz monocromtica. Por lo general una lampara de vapor de sodio lampara de

mercurio

2. Polarizador Analizador: Es la pieza central de un polarmetro llamado frecuentemente prisma de Nicol o de Glan-thompson, que trabajan con el principio de doble refraccin 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 lnea D del sodio) se denomina analizador

Si se ajustan ambos prismas a una porcin cruzada en ausencia de muestra se observa un mnimo de intensidad de luz, al colocar la muestra la rotacin del haz causa un aumento de la intensidad de luz que es contrarrestada por rotacin del prisma analizador. Este cambio angular requerido para reducir al mnimo la intensidad corresponde a la potencia rotatora de la muestra. La posicin de intensidad mnima no puede determinarse con seguridad por el ojo por lo que se dispone de dispositivos de media sombra, un pequeo 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 porcin oscura y otra iluminada. La porcin iluminada corresponde a la mitad del haz que ha sido girado por el prisma auxiliar y la porcin oscura corresponde al haz no obstruido. (Por motivos prcticos, los aparatos ms utilizados trabajan de modo visual, llamados polarmetros 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 mtodo tiene como ventaja que el ojo humano compara mejor dos superficies claras que la

Lampara

PolarizadorNicol

Prisma Lippich

Fijacin de mediasombra

Tubo demuestra

Ventanas

Analizador nicol

Ocular

Escala circular


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mxima 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 ngulo de rotacin directamente en la escala circular del analizador

3. Tubos de muestra: Tubos cilndricos de 10 a 20 cm construidos de vidrio

4. Sacarmetro: Sacarosa y azucares comerciales. Este instrumento es ms comnmente utilizado en anlisis de azcar que el polarmetro. Las diferencias entre un polarmetro y un sacarmetro, es que el polarmetro emplea luz monocromtica y da lecturas del ngulo de rotacin, mientras que el sacarmetro emplea luz blanca y una cua de cuarzo compensadora adems da

lecturas del porcentaje de azcar directamente.

VVIIII.. MMuuttaarrrroottaacciinn::

Consiste en la aparicin en disoluciones recin preparadas, por ejemplo azucares de una modificacin continua de su rotacin ptica, la cual permanecer constante una vez que haya alcanzado un determinado valor final este proceso va a depender de la concentracin y la velocidad final para alcanzar este valor

depende de la temperatura y del pH.

0237:1994 /67.180.10 CT 10 Azcar. Determinacin de la polarizacin A

1030:1995 /67.160.20 CT 10 Jugos y nctares. Caractersticas generales B

1031:1981 /67.160.20 CT 10 Frutas y productos derivados. Nctares de frutas. Consideraciones generales C

2191:1984 /67.180.10 CT 10 Miel de abejas B

VVIIIIII.. BBiibblliiooggrraaffiiaa

Ayres, G. (1970) Anlisis Qumico Cualitativo. EDICIONES DEL CASTILLO, S.A. Madrid Espaa.

Maier, Hans G. (1981) Mtodos modernos de anlisis 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) Anlisis de alimentos: Fundamentos, Mtodos, Aplicaciones. Editorial ACRIBIA. Zaragoza Espaa.


14

Maynard A., J. (1970) Methods in Food Analysis Second Edition

Pomeranz and Meloan (1971) Food Analysis: Teory and practice

Skoog, D. et al (1987) Anlisis Instrumental. Segunda Edicin Editorial

INTERAMERICANA, S.A. Mxico

refractometria y polarimetria 2013

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