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Altre tecniche analitiche ottiche: rifrattometriae polarimetria
Come abbiamo già visto nel primo paragrafo la luce, quando cambia mezzo di propa-gazione, subisce una deviazione. Questo fenomeno viene detto rifrazione.
Figura 1
Un esempio di rifrazioneFigura 2
Riflessione e rifrazione di un raggio dall’aria al vetro
La luce inoltre, quando cambia mezzo di propagazione, varia la propria velocità. Vie-ne definito indice di rifrazione il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto (c) e la velocità della luce nel mezzo di propagazione considerato (V):
nlt = c / V
La velocità della luce nel vuoto è costante ed è circa 3∙108 m/s. L’indice di rifrazione può essere determinato anche dal rapporto del seno del raggio incidente (senθ1) col seno del raggio rifratto (senθ2):
nlt = senθ1 / senθ2
Le sostanze, soprattutto nel campo alimentare, hanno diversi indici di rifrazione che possono essere anche commutati in altre unità di misura. I rifrattometri ma-nuali (figura 3) sono strumenti molto semplici da usa-re. Assomigliano a dei monocoli: la sostanza liquida si stratifica nella parte anteriore dello strumento (G); successivamente si chiude il coperchio trasparente e si esegue la lettura osservando la scala in controluce (fi-gura 5).La scala di lettura può essere in gradi Brix (indicano la percentuale zuccherina di una soluzione), gradi alcoli-ci, indice di rifrazione ecc.
Figura 3
Un rifrattometro
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
Figura 4
Deposizione del campione in un rifrattometro
Figura 5
Lettura della misura
La scala di lettura può essere in gradi Brix (indicano la percentuale zuccherina di una soluzione), gradi alcolici, indice di rifrazione ecc.
Figura 6
Esempio di lettura della misura di un rifrattometro
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
Liquido Temperatura (°C) Indice di rifrazione Liquido Temperatura (°C) Indice di rifrazione
Metanolo 25 1,3276 Tetracloro-metano 15 1,4631
Acqua 25 1,3325Olio essenziale di rosmarino
20 1,4650
Acetone 20 1,3589Olio essenziale di bergamotto
20 1,4663
Etanolo 18 1,3624 Olio di trementina 20 1,4730
Acido acetico 20 1,3722Olio essenziale di arancio
20 1,4730
Acetato di etile 19 1,3722Olio essenziale di arancio amaro
20 1,4740
Alcol isopropilico 20 1,3776 Glicerina 20 1,4729
Paraldeide (1,3,5-triossano)
20 1,4049Olio essenziale di limone
20 1,4747
Diossano 20 1,4232Olio essenziale di Chenopodio
20 1,4765
Cicloesano 20 1,4264Olio di semi di papa-vero
20 1,4770
Glicole etilenico 20 1,4311Olio essenziale di pino
20 1,4790
Cicloesene 22 1,4476 Olio di cumino 20 1,4860
Triclorometano 20 1,4476Olio essenziale di menta verde
20 1,4875
Etilendiammina 26 1,4540 Trietanol-ammina 20 1,4850
Olio essenziale di rosa
30 1,4600Olio essenziale di timo
20 1,5000
Olio essenziale di eucalipto
20 1,4590 Benzene 20 1,5010
Olio essenziale di lavanda
20 1,4595Olio essenziale di alloro
20 1,5310
Olio essenziale di menta piperita
20 1,4630Olio essenziale di sassofrasso
20 1,5300
Olio essenziale di coriandolo
20 1,4670Olio essenziale di chiodi di garofano
20 1,5310
Olio di arachide 40 1,4635Olio di semi di pepe della Giamaica
20 1,5335
Olio essenziale di cardamomo
20 1,4645 Metil-salicilato 20 1,5360
Tabella 1 Indici di rifrazione di diverse sostanze liquide
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
Nel Percorso 3 abbiamo visto che è possibile produrre un fascio di luce polarizzata, cioè una radiazione che si propaga con un unico asse di oscillazione. La luce pola-rizzata viene detta così perché il vettore del campo elettrico oscilla sempre in un solo piano (figura 7).
La luce naturale, invece, si propaga con infiniti assi di oscillazione, e di conseguenza su di infiniti piani del vettore del campo elettrico (figura 8).
Figura 7
La polarizzazione direzione della luce
luce polarizzata
luce completamente bloccata
luce non polarizzata
filtro orizzontale filtro verticale
Figura 8
Propagazione casuale della luce non polarizzata
Figura 9
Propagazione della luce pola-rizzata
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
Le radiazioni polarizzate vengono prodotte facendo passare la luce di una comune lam-pada ad incandescenza attraverso dispositivi, come i prismi di Nicol o le lenti Polaroid, ottenendo una «selezione della luce». Solo la luce che ha l’asse di propagazione in linea con i cristalli dei prismi o con i polimeri delle lenti riesce ad attraversare questi disposi-tivi. Con questa selezione dei raggi si produce un fascio di luce polarizzata (figura 7).
Le molecole o le sostanze che spostano il piano della luce polarizzata verso destra vengono dette destrogire (l’angolo rispetto a piano sarà +α) mentre le sostanze che spostano il piano della luce polarizzata verso sinistra vengono dette levogire (l’angolo rispetto a piano sarà -α). Le molecole che ruotano il piano della luce polarizzata devono avere degli atomi di carbonio legati a 4 altri atomi o gruppi di atomi diversi. Quindi questi atomi di carbonio, per poter ruotare il piano della luce polarizzata, non devono produrre legami doppi o tripli. Se, ad esempio, poniamo il modello di una molecola avente un carbonio centrale tetraedrico, legato a 4 gruppi diversi, davanti a uno specchio avremo l’immagine speculare (figura 11) della molecola di partenza. La mole-cola dell’immagine speculare non è perfettamente uguale a quella di partenza, poiché i due modelli non sono tra loro sovrapponibili. Le due molecole dell’esempio rappresenta-no una coppia di enantiomeri (figura 12).
Figura 11
Un modello molecolare allo specchio
Figura 12
Una coppia di enantiomeri
Figura 10
Possibili rotazioni del piano della luce polarizzata
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
Le molecole otticamente attive (enantiomeri) vengono anche dette chirali (dal greco chiros, che vuol dire «mano»). Il nome deriva dal fatto che una molecola di questo tipo, così come le mani, non è sovrapponibile con la sua omologa speculare (figura 13).
Esempi di coppie di enantiomeri otticamente attivi sono:
Figura 13
Le immagini speculari delle mani non sono sovrapponibili
mano sinistra mano destramano sinistra e mano
destra non sovrapponibili
specchio
Acido lattico 2-metil-1-butanolo
H OH3
CH3
COOH
C OH H3
CH3
COOH
C HOCH2 H3
CH3
C2H5
C H2 CH2OH3
CH3
C2H5
C
Acido cloroiodometansolfonico Cloruro di sec-butile
I CI3
SO3H
H
C CI I3
SO3H
H
C H2 CI3
CH3
C2H5
C CI2 H3
CH3
C2H5
C
Lo strumento che misura gli angoli della rotazione del piano della luce polarizzata è il polarimetro (figura 14).
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
fonte luminosa
polarizzatore
cuvetta
luce non polarizzata
luce polarizzata
analizzatore
Figura 14
Schema di un polarimetro
Lo strumento è composto da una sorgente luminosa, un polarizzatore, un contenitore per soluzioni, un polarizzatore analizzatore e un sistema ottico di lettura:— le sorgenti sono lampade a incandescenza;— i polarizzatori possono essere i prismi di Nicol (figura 15). Il prisma di Nicol è co-
stituito da due cristalli puri di calcite (CaCO3) identici aventi la forma di prismi a base triangolare con un lato interno di 68° (figura 14). I due prismi triangolari sono tenuti assieme da un adesivo detto balsamo del Canada, una trementina ottenuta dalla resina dell’abete balsamico. Grazie al suo indice di rifrazione pari a 1,55, esso è impiegato come adesivo trasparente per vetri, lenti e componenti ottici;
— il contenitore per i campioni da analizzare è trasparente e della lunghezza di 10 centimetri;
— il polarizzatore analizzatore è identico al polarizzatore descritto prima, esso però è montato su un dispositivo girevole dotato di un goniometro elettronico che misura l’angolo di deviazione della luce polarizzata;
— il dispositivo di lettura ottica è un monocolo.
Figura 15
Schema di un prisma di Nicol
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Altre tecniche analitiche e ottiche: rifrattometria e polarimetria
L’analisi si effettua nel seguente modo: si azzera lo strumento; si fa ruotare il pola-rizzatore analizzatore finché nel sistema ottico non si vede un’immagine di uniforme penombra (immagine 1 della figura 16). Successivamente si introduce il campione otticamente attivo e si nota che l’immagine prodotta dal sistema ottico si è modificata (immagine 2 della figura 16). La terza e conclusiva fase è quella di ripristinare l’imma-gine iniziale facendo ruotare l’analizzatore (immagine 3 della figura 16) e registrando l’angolo che corrisponde al potere rotatorio assoluto (α).
Figura 16
Schema della lettura attraverso il dispositivo ottico di un polarimetro
Le analisi che possono essere effettuate sono di tipo qualitativo e quantitativo. L’ana-lisi qualitativa si esegue misurando il potere rotatorio della sostanza in esame che è specifico per ogni sostanza otticamente attiva. Con l’analisi quantitativa si possono determinare le concentrazioni di soluzioni di sostanze di cui si conosce la composi-zione. La metodica analitica è identica a quella appena descritta. Per determinare la concentrazione dell’analita si applica la seguente formula:
C = α / (l ∙ [α]25°C)
Dove C è la concentrazione incognita da determinare espressa in grammi su litro (g/l), α è il potere rotatorio assoluto misurato sperimentalmente, l il cammino ottico che di solito è di 10 cm, e [α]25°c è il potere rotatorio specifico della soluzione a concentrazio-ne unitaria della stessa sostanza alla temperatura di 25°C.L’analisi polarimetrica viene spesso impiegata nel campo alimentare per determinare vitamine, amminoacidi, oli essenziali, zuccheri, amidi ecc.