Aula 04 - Polarimetria

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DISCIPLINA: QUÍMICA ANALÍTICA PERIODIZAÇÃO: 3º PERÍODO PROFESSOR: TIAGO LOPES

POLARIMETRIA RECIFE, ABRIL DE 2020.

POLARIMETRIA E POLARIZAÇÃO

A polarimetria estuda a medição da polarização de ondas transversais. Mas o que seria polarização? A polarização é uma propriedade que se aplica somente a ondas transversais (a exemplo: das ondas eletromagnéticas, das ondas gravitacionais e de ondas sonoras que se propagam em um meio sólido), que especifica a orientação geométrica das oscilações dessas ondas.

Isso porque, em uma onda transversal, a direção da oscilação é perpendicular à direção do movimento da onda. Por outro lado, no caso das ondas longitudinais (a exemplo de ondas sonoras que se propagam em um meio líquido ou gasoso), o deslocamento das partículas na oscilação ocorre sempre na mesma direção da propagação, de modo que essas ondas não exibem polarização.

Um exemplo simples de onda transversal polarizada são as vibrações que viajam ao longo de uma corda esticada como, por exemplo, em uma corda de violão. Dependendo de como a corda é puxada, as vibrações podem estar na direção vertical, na direção horizontal ou em qualquer ângulo perpendicular à corda. Na imagem do slide a seguir temos um exemplo de polarização circular em um fio de borracha, convertida em polarização linear.

Polarização circular em um fio de borracha, convertida em polarização linear.

Convencionou-se que a polarização para as ondas eletromagnéticas é referente à direção do campo elétrico, uma vez que a onda eletromagnética consiste em um campo elétrico oscilante acoplado a um campo magnético também oscilante, sempre perpendiculares entre si. Na polarização linear, os campos oscilam em uma única direção. Mas na polarização circular ou elíptica, os campos giram (rotacionam) a uma taxa constante, em um plano, à medida que a onda viaja.

A rotação pode ter duas direções possíveis: 

Se os campos girarem no sentido direito em relação à direção do deslocamento da onda temos uma polarização circular direita.



Se os campos girarem no sentido esquerdo em relação à direção do deslocamento da onda temos uma polarização circular esquerda.

A radiação eletromagnética de muitas fontes (como a luz solar ou a luz emitida por chamas ou lâmpadas incandescentes) consiste em trens de ondas curtas com uma mistura de polarizações. Isso é chamado de luz não polarizada. Já a luz polarizada pode ser produzida quando fazemos com que uma luz não polarizada atravesse um polarizador, que permite que ondas de apenas uma polarização o atravessem.

Luz polarizada Luz não polarizada

Filtro polarizador

Fonte de luz

Os materiais ópticos mais comuns, como o vidro, são isotrópicos e não afetam a polarização da luz que os atravessa. No entanto, alguns materiais (aqueles que exibem birrefringência, dicroísmo ou atividade óptica) podem alterar a polarização da luz. Inclusive, alguns deles são usados para fazer filtros polarizadores. A luz também é parcialmente polarizada quando é refletida por uma superfície.

A birrefringência linear é uma propriedade dos minerais cristalinos. Ela foi fundamental na descoberta inicial da polarização. Em mineralogia, essa propriedade é frequentemente explorada em microscópios de polarização com o objetivo de identificar minerais. A imagem do slide a seguir é uma fotomicrografia de um grão de areia vulcânica.

Na porção superior foi usada luz polarizada no plano. Já na porção inferior tivemos luz polarizada cruzada. A escala no centro, à esquerda, é de 0,25 mm.

Em um meio líquido, a birrefringência linear é impossível. No entanto, pode haver birrefringência circular (também conhecida como rotação óptica ou dispersão rotativa óptica) quando uma molécula quiral está em solução. É por isso que a rotação dos eixos de polarização em uma solução líquida pode ser uma medida útil.

Por isso, a polarimetria pode ser usada para medir várias propriedades ópticas de um material, incluindo:  

  

Birrefringência linear Birrefringência circular Dicroísmo linear Dicroísmo circular Dispersão

PRISMA DE NICOL

Um prisma de Nicol é um dispositivo óptico usado para produzir e analisar luz polarizada plana. Sua geometria é tal que elimina um dos raios por reflexão interna total (isto é, o raio comum é eliminado) e somente o raio extraordinário é transmitido através do prisma. Foi o primeiro prisma de polarização, inventado no ano de 1828 pelo geólogo e físico escocês William Nicol (1770-1851).

Ele é composto um cristal romboédrico de longarina da Islândia [Iceland spar, uma variedade de calcita (CaCO3)], que foi inicialmente cortado em um ângulo de 68° em relação ao eixo do cristal, cortado novamente na diagonal e depois reunido como mostrado, usando uma camada de bálsamo do Canadá como cola. O bálsamo do Canadá é uma terebintina feita a partir da resina do abeto do bálsamo (Abies balsamea), uma árvore encontrada nas florestas boreais da América do Norte.

Raio comum

Raio extraordinário

Longarina da Islândia

POLARÍMETRO

O polarímetro é o instrumento básico usado para fazer medições em polarimetria. Os polarímetros mais sensíveis são baseados em interferômetros, enquanto que os convencionais são baseados em arranjos de filtros polarizadores, placas de ondas ou outros dispositivos. Um polarímetro simples é constituído por um tubo longo com extremidades planas de vidro, no qual a amostra é colocada.

Polarímetro digital. Polarímetro analógico.

Em cada extremidade do tubo há um prisma de Nicol (ou outro material polarizador). A luz polarizada passa através do tubo contendo a solução líquida e o polarizador na outra extremidade, preso a uma peça ocular, é girado para anular a transmissão de luz através dele. Esse segundo polarizador é chamado de analisador. O ângulo de rotação é lido a partir de uma escala e, com isso, a rotação específica da amostra pode ser calculada.

Esquema de funcionamento de um polarímetro.

Em seguida, o mesmo fenômeno é observado após um ângulo de 180°. Obs.: A temperatura pode afetar a rotação da luz, o que deve ser considerado nos cálculos: T [α]λ

= rotação específica T T = temperatura [α]λ λ = comprimento de onda da luz α = ângulo de rotação ℓ = comprimento do tubo do polarímetro c = concentração comum da solução

α = ℓ∙c

Em algumas referências a expressão do slide anterior aparece da seguinte forma:

100 ∙ α T [α]λ = ℓ∙c Porém, neste caso, devemos ter bastante cuidado, pois a concentração (c) é expressa em g/100 mL.

Uma lâmpada de vapor de sódio geralmente é a escolhida como fonte de luz, com uma emissão cujo comprimento de onda é igual a 589,3 nm, correspondente à linha D da emissão do sódio. Essa luz é monocromática, ou seja, apresenta apenas uma cor.

DETERMINAÇÕES PRÁTICAS EM POLARIMETRIA

A aplicação mais comum da polarimetria é na indústria açucareira, para a determinação da sacarose em solução aquosa, devido à enorme importância comercial desse produto.

Exemplo Resolvido 01

Uma solução aquosa de sacarose provoca uma rotação dextrogira de 32,05º no plano da luz polarizada de uma lâmpada de vapor de sódio em um polarímetro. Calcule a concentração de sacarose nessa solução, sabendo que o tamanho do tubo para amostra utilizado nesse polarímetro é de 10 cm. ℃ −1 −1 Considere que [α]20 = 66,5° ∙ g ∙ dm ∙ mL. D

Na equação do slide nº 26, temos 4 (quatro) parâmetros, dos quais conhecemos 3 (três): ℃ −1 −1 [α]20 = 66,5° ∙ g ∙ dm ∙ mL D Obs.: T = 20 ºC e λ = 589,3 nm (linha D do sódio).  α = + 32,05º Obs.: α é positivo quando a rotação é dextrogira (para a direita) e é negativo quando a rotação é levogira (para a esquerda).  ℓ = 10 cm = 1 dm 

Feito isso, podemos isolar a concentração a partir da expressão: [α]Tλ

α α α = ⇒c = = T ℃ ℓ∙c [α]λ ∙ ℓ [α]20 ∙ℓ D

32,05° 32,05 c = = −1 −1 66,5° ∙ g ∙ dm ∙ mL ∙ 1 dm 66,5 ∙ g −1 ∙ mL 0,48 g c ≅ mL

Atividade 01 Uma solução de sacarose causa uma rotação dextrogira de 42,07º no plano da luz polarizada em um polarímetro. Calcule a concentração de sacarose na solução. Considere que:  O tamanho do tubo do polarímetro é igual a 10 cm. 20 ℃  [α]D = 66,5° ∙ g −1 ∙ dm−1 ∙ mL.

Atividade 02 Uma solução de frutose de concentração desconhecida causa uma rotação levogira no plano da luz polarizada de 62,76º. Qual a concentração de frutose? Considere que o tamanho do tubo do polarímetro é igual a ℃ −1 −1 10 cm e que [α]20 = − 92,4° ∙ g ∙ dm ∙ mL. D

Atividade 03 Uma solução aquosa de glicose cuja concentração é igual a 0,24 mol/L é analisada em um polarímetro. Calcule o ângulo esperado de rotação no plano da luz polarizada para essa amostra, considerando que o tamanho do tubo do polarímetro é igual a 10 cm. ℃ −1 −1 Dado 1: [α]20 = 66,5° ∙ g ∙ dm ∙ mL. D Dado 2: M (sacarose) = 342 g/mol.

Atividade 04 No rótulo de uma bebida chamada “Compal Fresh” pode-se ler que em 100 mL dela existe 10 g de glicídios. Experimentalmente, verificou-se que não há sacarose na bebida e que o desvio no plano da luz polarizada foi de – 6,20º. Partindo desses dados, determine o poder rotatório 20 ℃ específico, [α]D , dos glicídios que existem no “Compal Fresh”. Obs.: No polarímetro de lâmpada de vapor de sódio, foi utilizado um tubo com comprimento igual a 22,10 cm.

Atividade 05 Na análise em sextuplicata de uma amostra da bebida “Ice Tea Green” foram encontrados os seguintes valores de rotação no plano da luz polarizada: 2,20º; 2,30º; 2,70º; 2,80º; 2,40º e 2,50º. Calcule a concentração de sacarose na solução. Considere que o tamanho do tubo do polarímetro é igual a 22,10 cm e que ℃ −1 −1 [α]20 = 66,5° ∙ g ∙ dm ∙ mL. D

A sacarose (um dissacarídeo) pode ser hidrolisada na presença de um ácido diluído, produzindo glicose e frutose: H1+

℃ [α]20 D

C12H22O11 Sacarose + 66,5º

+

H2O

→

C6H12O6 Glicose + 52,7º

+

C6H12O6 Frutose – 92,4º

Essa reação é conhecida como reação de inversão e a mistura resultante dos dois sacarídeos (glicose e frutose) é chamada de açúcar invertido. São adicionados 10 mL de ácido clorídrico (HCℓ) concentrado para cada 100 mL de solução de sacarose, que é deixada em repouso por, pelo menos, 24 horas na temperatura ambiente. No entanto, o processo pode ser acelerado se aquecermos o sistema a uma temperatura de 70 ºC por 15 minutos.

Sacarose +

H1+

Frutose + Glicose

Como a glicose e a frutose apresentam rotações 20 ℃ específicas, [α]D , muito diferentes da sacarose, à medida que a hidrólise acontece, a rotação específica da solução que contém inicialmente somente sacarose muda de + 66,5º para – 19,85º (que é a média entre as rotações específicas da glicose e da frutose).

O xarope de açúcar invertido (que é um tipo de açúcar líquido), também conhecido como açúcar líquido invertido, é um adoçante natural constituído pela mistura de glicose, frutose e sacarose. Ele pode ser produzido a partir de inversão ácida, inversão enzimática e inversão catiônica (com o uso de resinas). Apresenta-se como uma solução límpida e levemente amarelada, com odor e sabor característicos e alto poder adoçante.

Esse xarope possui um alto grau de resistência à contaminação microbiológica e é utilizado na indústria alimentícia, principalmente para a produção de bebidas.

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Gabarito: 1. c = 0,63 g/mL 2. c = 0,68 g/mL 3. α = + 5,45º ℃ 4. [α]20 = – 28,05º D 5. c = 0,017 g/mL