PHÉP ĐO PHÂN CỰC: CƠ SỞ LÝ LUẬN, CÁC LOẠI, ỨNG DỤNG, ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM - HÓA HỌC - 2025

Phép đo phân cực đo sự quay của chùm ánh sáng phân cực trải qua khi nó đi qua chất hoạt động quang học có thể là thủy tinh (ví dụ như tourmaline) hoặc dung dịch đường.

Đây là một kỹ thuật đơn giản, thuộc phương pháp phân tích quang học và có nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong công nghiệp hóa chất và nông sản để xác định nồng độ của các dung dịch có đường.

Hình 1. Máy đo phân cực tự động kỹ thuật số. Nguồn: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter

Nền tảng

Nền tảng vật lý của kỹ thuật này nằm ở các đặc tính của ánh sáng như một sóng điện từ, bao gồm điện trường và từ trường chuyển động theo phương vuông góc với nhau.

Sóng điện từ là sóng ngang, có nghĩa là các trường này lần lượt truyền theo phương vuông góc với chúng, theo hình 2.

Tuy nhiên, vì trường được tạo thành từ nhiều đoàn sóng đến từ mỗi nguyên tử và mỗi nguyên tử dao động theo các hướng khác nhau, nên ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng đến từ bóng đèn sợi đốt không phân cực.

Ngược lại, khi dao động của trường xảy ra theo hướng ưu tiên, ánh sáng được cho là phân cực. Điều này có thể đạt được bằng cách cho chùm ánh sáng đi qua một số chất có khả năng chặn các thành phần không mong muốn và chỉ cho phép một chất cụ thể đi qua.

Hình 2. Hoạt ảnh của một trường điện từ lan truyền dọc theo trục x. Nguồn: Wikimedia Commons. And1mu.

Nếu ngoài sóng ánh sáng gồm một bước sóng duy nhất thì ta có chùm sáng đơn sắc phân cực thẳng.

Vật liệu hoạt động như bộ lọc để thực hiện điều này được gọi là bộ phân cực hoặc bộ phân tích. Và có những chất phản ứng với ánh sáng phân cực, làm quay mặt phẳng phân cực. Chúng được gọi là các chất hoạt động quang học, ví dụ như đường.

Các loại máy đo phân cực

Nói chung, máy đo phân cực có thể là: thủ công, tự động và bán tự động và kỹ thuật số.

Sách hướng dẫn

Máy đo phân cực thủ công được sử dụng trong các phòng thí nghiệm giảng dạy và phòng thí nghiệm nhỏ, trong khi máy đo tự động được ưu tiên khi yêu cầu một số lượng lớn phép đo vì chúng giảm thiểu thời gian dành cho việc đo.

Tự động và kỹ thuật số

Các mô hình tự động và kỹ thuật số đi kèm với một máy dò quang điện, một cảm biến phát ra phản ứng với sự thay đổi của ánh sáng và làm tăng đáng kể độ chính xác của phép đo. Cũng có những người cung cấp khả năng đọc trên màn hình kỹ thuật số, rất dễ vận hành.

Để minh họa hoạt động chung của máy đo phân cực, loại quang học thủ công được mô tả dưới đây.

Hoạt động và các bộ phận

Máy đo độ phân cực cơ bản sử dụng hai lăng kính Nicol hoặc tấm Polaroid, trong đó đặt chất hoạt tính quang học cần phân tích.

William Nicol (1768-1851) là một nhà vật lý người Scotland, người đã cống hiến phần lớn sự nghiệp của mình cho thiết bị đo đạc. Sử dụng một tinh thể canxit hoặc Iceland spar, một khoáng chất có khả năng tách chùm ánh sáng tới, năm 1828, Nicol đã tạo ra một lăng kính để thu được ánh sáng phân cực. Nó được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo máy đo phân cực.

Hình 4. Tinh thể canxit lưỡng chiết. Nguồn: Wikimedia Commons. APN MJM.

Các bộ phận chính của máy đo phân cực là:

- Nguồn sáng. Nói chung là đèn hơi natri, vonfram hoặc thủy ngân, đã biết bước sóng.

- Bộ phân cực. Các mẫu cũ sử dụng lăng kính Nicol, trong khi các mẫu hiện đại hơn thường sử dụng các tấm Polaroid, được làm từ các phân tử hydrocacbon chuỗi dài với các nguyên tử iốt.

- Một người giữ mẫu. Chất cần phân tích được đặt ở đâu, độ dài có thể thay đổi nhưng được biết chính xác.

- Một thị kính và các chỉ số được cung cấp với thang đo vernier. Để người quan sát có thể đo chính xác lực quay của mẫu. Các mô hình tự động có cảm biến quang điện.

- Ngoài ra, các chỉ số nhiệt độ và bước sóng. Vì sức quay của nhiều chất phụ thuộc vào các thông số này.

Hình 5. Sơ đồ của một máy đo phân cực bằng tay. Nguồn: Chang, R. Chemistry.

Laurent Polarimeter

Trong quy trình được mô tả, có một nhược điểm nhỏ khi người quan sát điều chỉnh mức tối thiểu của ánh sáng, vì mắt người không có khả năng phát hiện các biến thể rất nhỏ về độ sáng.

Để khắc phục vấn đề này, máy đo độ phân cực Laurent bổ sung một nửa tấm làm chậm bước sóng, làm bằng vật liệu lưỡng chiết.

Bằng cách này, người quan sát có hai hoặc ba vùng lân cận có độ sáng khác nhau, được gọi là trường, trong người xem. Điều này giúp mắt dễ dàng phân biệt các mức độ ánh sáng.

Bạn có phép đo chính xác nhất khi xoay máy phân tích theo cách mà tất cả các trường đều mờ như nhau.

Hình 6. Cách đọc thủ công của máy đo phân cực. Nguồn: F. Zapata.

Định luật Biot

Định luật Biot liên hệ công suất quay α của một chất hoạt động quang học, được đo bằng độ thập phân, với nồng độ c của chất này – khi nó là dung dịch- và dạng hình học của hệ thống quang học.

Đây là lý do tại sao phần mô tả của máy đo phân cực được nhấn mạnh rằng các giá trị bước sóng của ánh sáng và của giá đỡ mẫu phải được biết đến.

Hằng số tỉ lệ được ký hiệu và gọi là công suất quay riêng của nghiệm. Nó phụ thuộc vào bước sóng λ của ánh sáng tới và nhiệt độ T của mẫu. Các giá trị của thường được lập bảng ở 20 ºC đối với ánh sáng natri, cụ thể, có bước sóng là 589,3 nm.

Tùy thuộc vào loại hợp chất cần phân tích, định luật Biot có các dạng khác nhau:

- Chất rắn hoạt động quang học: α = .ℓ

- Chất lỏng nguyên chất: α =. ℓ.ρ

- Các dung dịch có chất tan có hoạt tính quang học: α =. ℓ.c

- Các mẫu có một số thành phần hoạt động quang học: ∑α _i

Với số lượng bổ sung sau và đơn vị của chúng:

- Chiều dài của ngăn chứa mẫu: ℓ (tính bằng mm đối với chất rắn và dm đối với chất lỏng)

- Khối lượng riêng của chất lỏng: ρ (tính bằng g / ml)

- Nồng độ: c (tính bằng g / ml hoặc mol)

Ưu điểm và nhược điểm

Máy đo độ phân cực là dụng cụ thí nghiệm rất hữu ích trong các lĩnh vực khác nhau và mỗi loại máy đo độ phân cực đều có những ưu điểm tùy theo mục đích sử dụng.

Một ưu điểm lớn của kỹ thuật này là nó là một phép thử không phá hủy, thích hợp khi phân tích các mẫu đắt tiền, có giá trị hoặc vì một lý do nào đó không thể trùng lặp. Tuy nhiên, phép đo phân cực không áp dụng cho bất kỳ chất nào, chỉ áp dụng cho những chất có hoạt tính quang học hoặc chất bất đối xứng, như chúng cũng đã biết.

Cũng cần phải xem xét rằng sự có mặt của các tạp chất dẫn đến sai số trong kết quả.

Góc quay của chất được phân tích phù hợp với các đặc điểm của nó: loại phân tử, nồng độ của dung dịch và thậm chí cả dung môi được sử dụng. Để có được tất cả các dữ liệu này, cần phải biết chính xác bước sóng của ánh sáng sử dụng, nhiệt độ và chiều dài của hộp chứa mẫu.

Độ chính xác mà bạn muốn phân tích mẫu là yếu tố quyết định khi chọn một thiết bị thích hợp. Và chi phí của nó nữa.

Ưu điểm và nhược điểm của máy đo phân cực bằng tay

- Chúng có xu hướng rẻ hơn, mặc dù cũng có các phiên bản kỹ thuật số chi phí thấp. Đối với điều này có rất nhiều đề nghị.

- Chúng thích hợp để sử dụng trong các phòng thí nghiệm giảng dạy và đào tạo, vì chúng giúp người vận hành làm quen với các khía cạnh lý thuyết và thực tiễn của kỹ thuật.

- Chúng hầu như luôn luôn được bảo trì thấp.

- Chúng có khả năng chống chịu và bền.

- Việc đọc kết quả đo sẽ tốn nhiều công sức hơn một chút, đặc biệt nếu chất cần phân tích có lực quay thấp, do đó người thực hiện thường là người có chuyên môn.

Ưu nhược điểm của máy đo phân cực tự động và kỹ thuật số

- Dễ dàng xử lý và đọc, không yêu cầu nhân viên chuyên môn cho việc vận hành.

- Máy đo phân cực kỹ thuật số có thể xuất dữ liệu ra máy in hoặc thiết bị lưu trữ.

- Máy đo phân cực tự động yêu cầu thời gian đo ít hơn (khoảng 1 giây).

- Họ có các tùy chọn để đo lường theo khoảng thời gian.

- Bộ tách sóng quang điện cho phép phân tích các chất có công suất quay thấp.

- Kiểm soát hiệu quả nhiệt độ, thông số ảnh hưởng nhiều nhất đến phép đo.

- Một số mô hình đắt tiền.

- Họ yêu cầu bảo trì.

Các ứng dụng

Phép đo phân cực có một số lượng lớn các ứng dụng, như đã đề cập ở phần đầu. Các khu vực rất đa dạng và các hợp chất được phân tích có thể là hữu cơ và vô cơ. Đây là một số trong số họ:

- Trong kiểm tra chất lượng dược phẩm, giúp xác định các chất được sử dụng trong sản xuất thuốc có nồng độ và độ tinh khiết thích hợp.

- Để kiểm soát chất lượng của ngành công nghiệp thực phẩm, phân tích độ tinh khiết của đường, cũng như hàm lượng của nó trong đồ uống và đồ ngọt. Máy đo độ phân cực được sử dụng theo cách này còn được gọi là máy đo đường hóa và sử dụng một thang đo cụ thể, khác với thang đo được sử dụng trong các ứng dụng khác: thang đo ºZ.

Hình 7. Việc kiểm tra chất lượng hàm lượng đường trong rượu vang và nước trái cây được thực hiện bằng phép phân cực. Nguồn: Pixabay.

- Ngoài ra trong công nghệ thực phẩm nó còn được dùng để tìm hàm lượng tinh bột của mẫu.

- Trong vật lý thiên văn, phép đo phân cực được sử dụng để phân tích sự phân cực của ánh sáng trong các ngôi sao và nghiên cứu từ trường có trong môi trường thiên văn và vai trò của chúng trong động lực học của các ngôi sao.

- Phép đo phân cực rất hữu ích trong việc phát hiện các bệnh về mắt.

- Trong các thiết bị viễn thám vệ tinh dùng để quan sát tàu thuyền trên biển khơi, vùng ô nhiễm giữa đại dương hoặc trên đất liền, nhờ thu được ảnh có độ tương phản cao.

- Công nghiệp hóa học sử dụng phép phân cực để phân biệt giữa các đồng phân quang học. Các chất này có tính chất hóa học giống hệt nhau, vì phân tử của chúng có thành phần và cấu trúc giống nhau, nhưng chất này là phản chiếu của chất kia.

Các đồng phân quang học khác nhau ở cách chúng phân cực ánh sáng (đồng phân đối quang): một đồng phân làm như vậy ở bên trái (thuận tay trái) và đồng phân kia ở bên phải (thuận tay phải), luôn luôn theo quan điểm của người quan sát.

1. Phân tích AGS. Máy đo phân cực để làm gì? Được khôi phục từ: agsanalitica.com.
2. Chang, R. Hóa học. 2013. Ấn bản lần thứ mười một. Đồi McGraw.
3. Gavira, J. Polarimetry. Được khôi phục từ: triplenlace.com.
4. Dụng cụ khoa học. Máy đo độ phân cực. Được khôi phục từ: uv.es.
5. Đại học Bách khoa của Valencia. Ứng dụng của phép đo phân cực để
   xác định độ tinh khiết của đường. Đã khôi phục từ: riunet.upv.es.