Laboratorio Avanzado de Física

Experiencia IV - 3: Polarímetro - Rotación específica de soluciones de azúcar

Objetivo

Determinar la constante de rotación de soluciones de azúcar en agua destilada y determinar .por rota-ción específica la cantidad de azúcar de una solución de concentración desconocida.

Breve Introducción Teórica

Algunos sólidos (p.e el Cuarzo), líquidos (p e tre-mentina) y soluciones, particularmente orgánicas ( p.e azúcar en agua), son activos ópticamente, es decir que tienen la propiedad de que al pasar un rayo de luz polarizada por una muestra de la sustancia, el plano de polarización sufre una rotación. La magnitud de la rotación es dependiente del espesor de la muestra, de su temperatura, y de la longitud de onda de la luz. Para las soluciones ópticamente activas la rotación depende de la cantidad de substancia activa median-te la concentración de la forma11'31:

a= A + B c + C c 2 (1)

donde a es el ángulo de rotación o poder rotatorio, L es la longitud de la muestra y c es la concentración en gramos de soluto por cada 100 mi de solución (al-gunos autores reportan el peso de soluto por cada 100 gramos de solución); A,B y C son constantes. La

O cular y ojo a „ . H„ ri„ p

constante A representa la rotación específica para 1 gramo de substancia.

Para soluciones que son ópticamente activas los libros de referencias dan valores de “rotación especifi-ca’’ a x\ definida por:

a x = '100 a

c L(2)

donde:a = ángulo de rotación en gradosc = gramos de soluto por cada 100 mi de solvente,

sino se usa 100 mi debe adecuarse la expresión al volumen utilizado.

L = longitud del tubo de la muestra en decímetrosLa rotación especifica se reporta generalmente en

grados per decímetro.

En general las rotaciones especificas están dadas para una temperatura de 20°C, y para la luz de la líneaD del sodio, a D20.

Esta dependencia se usa muchas veces en labo-ratorios químicos y médicos para medir las concen-traciones de ciertas soluciones. Por ejemplo, la canti-dad de glucosa en la orina (una prueba para detectar diabetes) es en general determinada por este méto-do.

La rotación del plano de polarización se mide con

Tubo donde se coloca la m uestra

Espejo

Fig. 1

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un polarímetro, este instrumento como se ve en el dibujo (que es simplificado), consiste de una fuente de luz (A), un polarizador (B), un tubo de longitud co-nocida en el cual se coloca la muestra (C), un anali-zador con el cual se puede determinar la rotación del plano de polarización, y un ocular para magnificar el campo del analizador (E). El polarímetro de este labo-ratorio usa como fuente luminosa una lámpara espec-tral de sodio y tiene tubos para la solución de longitud de 50 mm, 100 mm y 200 mm.

El polarímetro existente en el laboratorio está cons-truido para que en el ocular se vea un campo de tres zonas de las cuales solamente la central pasa por el analizador. Por lo tanto, para efectuar una medición se puede efectuar de tres maneras: Método 1; se ajus-ta la posición del analizador hasta que la zona central tenga la misma intensidad que las otras dos, lo que significa que el plano de polarización del analizador esta alineado con el de la muestra. Método 2 y 3; un método alternativo de medición es ajustar el analiza-dor hasta que la diferencia en intensidad entre las tres zonas sea máxima, es decir que el analizador tenga un ángulo de 90° con el plano de polarización de las zonas de referencias (Nota con un analizador sencillo esta posición estaría a 90° de la posición de intensi-dades iguales pero para el analizador de nuestro polarímetro este no es el caso porque contiene un prisma adicional, que arregla los dos planos de polari-zación para que las lecturas de los ángulos sean pre-cisas). Desde el punto de vista físico los tres méto-dos de medición deben ser iguales, pero por razones fisiológicas en casi todas las personas la precisión de lectura con uno de los métodos será mayor que en otra. La posición (ángulo) del analizador es leida en una escala debajo del campo del analizador.

Material y Equipo

1. Polarimetro 101-1

2. Balanza

3. Azúcar y muestra desconocida

4 Agua destilada

5. Tubos de vidrio

Procedimiento Experimental

1. Con el tubo de muestra vacío determine el punto cero del analizador. Use los tres métodos de me-dición y haga un numero suficiente de determina-ciones para que Ud pueda decir cual es más exac-to, es decir; determine la desviación standard de

cada método. ¿Cuantos ajustes de ángulos se-rían necesarios para una precisión de 0.02o?.

2. Usando el azúcar y el agua destilada, haga solu-ciones de concentraciones conocidas y mida sus rotaciones especificas. Haga un gráfico del ángu-lo de rotación en función de la concentración (ex-presada en gm. de azucar/100 mi de agua). Con los puntos del gráfico, dibuje una curva de calibra-ción. ¿Obtiene Ud una línea recta?. Sino explique Determine a A' para azúcar en agua a partir de sus datos. ¿Cuál es el error standard?. ¿Están de acuerdo su valor y el publicado en las referencias?.

3. Mida el ángulo de rotación de la solución desco-nocida y use su curva de calibración para calcular la concentración. ¿Cuál es la concentración de la solución desconocida si se usa la rotación espe-cifica publicada para calcularla ?.

4. Opcional. El profesor le asignará un refractómetrode Abbe para que mida el Índice de refracción de las soluciones de azúcar y corrobore el contenido de azúcar.

Preguntas de pre-laboratorio

1. ¿A qué se denomina plano de polarización?.

2. ¿De qué depende la magnitud de polarización?.

3. ¿Explique y justifique el procedimiento que segui-rá para medir las rotaciones ópticas. Como deter-minará la rotación específica de las soluciones de azúcar por los diferentes métodos?.

4. ¿ Explique el origen y cómo se observan las zonasdel ocular según los tres métodos ?.

5. ¿Qué es una muestra ópticamente activa, levógira odextrogira?

6. ¿Qué esperaría obtener Ud. del gráfico del ángulo de rotación en función de la concentración?.

7. ¿Cómo varia la rotación especifica con la longitud de onda?. ¿Cómo se denomina este efecto ?. ¿A qué longitud de onda se reportan normalmente los valores de la rotación específica?.

8. ¿Cómo varia la rotación especifica con la tempe-ratura?.

9. Además de los parámetros ya mencionados en la introducción teórica de que otros parámetros de-pende la rotación específica.

10. Deduzca una expresión que muestre la relación

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entre rotación específica, índice de refracción y longitud de onda.

11. ¿ Qué es rotación molecular ?.

12. ¿ Qué relación hay entre la rotación del plano de polarización y la molécula orgánica ?

13. ¿Qué es sacarosa, dextrosa, glucosa y levulosa, que relación hay entre éstos términos y la rota-ción del plano de polarización ?.

14. ¿Cómo está conformada el azúcar de caña, cómo y en qué proporción los azúcares que la confor-man afectan la rotación del plano de polarización?.

15. ¿D e cuales tipos de azúcares fundamentalmen-te está constituida la miel, cómo afecta cada tipo la rotación del plano de polarización, cómo espe-ra Ud que la miel rote el plano de polarización ?.

16. ¿Qué es azúcar invertida, para que se utiliza, que relación hay entre ésta azúcar, la rotación del plano de polarización y el azúcar normal ?.

Bibliografía y Referencias

1. J. M. Stone. Radiation and Optics.McGraw-Hill N.Y. 1963.

2. G. S. Monk. Light: Principies and Experiments N. Y, Dover Publications. 1963.

3 Handbook of Chemistry and Physics.

4. American Institute of Physics Handbook.

5. Manual del polarimetro de limbo Carl-Zeiss.

6. W H. J. Childs. Physical Constants.

7. Manual del refractómetro de Abbe

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