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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

5

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.