Chemia analityczna. Tom 2 - ebook

AUTORZY – TOM 2

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

Dr hab. n. med. Eliza Blicharska, prof. UM

Dr hab. n. farm. Anna Błażewicz, prof. UM

Dr n. farm. Piotr Drączkowski

Prof. dr hab. n. farm. Sławomir Dresler

Prof. dr hab. n. farm. Tadeusz Dzido

Prof. dr hab. n. farm. Władysław Gołkiewicz

Dr n. farm. Aneta Hałka-Grysińska

Dr hab. n. farm. Mirosław Hawrył, prof. UM

Dr n. farm. Grzegorz Jóźwiak

Prof. dr hab. n. chem. Ryszard Kocjan

Prof. dr hab. n. farm. Łukasz Komsta

Dr n. chem. Jerzy Kuczyński

Dr n. chem. Wojciech Markowski

Prof. dr hab. n. farm. Grażyna Matysik

Dr n. farm. Magdalena Pizoń

Dr hab. n. farm. Beata Polak, prof. UM

Prof. dr hab. n. farm. Stanisław Przeszlakowski

Dr n. farm. Jan Sawicki, prof. UM

Prof. dr hab. n. farm. Edward Soczewiński

Prof. dr hab. n. farm. Ireneusz Sowa

Dr hab. n. farm. Anna Sroka-Bartnicka, prof. UM

Dr hab. n. farm. Maciej Strzemski, prof. UM

Prof. dr hab. n. farm. Halina Szumiło

Dr n. farm. Ryszard Świeboda

Dr n. farm. Andrzej Torbicz

Prof. dr hab. n. farm. Monika Waksmundzka-Hajnos1 Zagadnienia ogólne Ryszard Kocjan

1.1. Ogólna charakterystyka analizy instrumentalnej

Rozwój chemii analitycznej i metod analitycznych był i jest ściśle związany z pojawianiem się nowych przyrządów pomiarowych. Pierwsze analizy ilościowe opierały się na metodach grawimetrycznych (wagowych), których opracowanie stało się możliwe dzięki wynalezieniu precyzyjnych wag. Wkrótce potem wprowadzenie wzorcowanych naczyń szklanych umożliwiło powstanie metod objętościowych (miareczkowych). Metody wagowe i objętościowe oparte na właściwościach chemicznych analizowanych substancji, nazywane także metodami klasycznymi, pozostawały przez wiele lat jedynymi metodami ilościowymi dostępnymi dla większości analityków.

Jednak wraz z koniecznością oznaczania coraz mniejszych ilości analizowanych substancji, metody klasyczne okazywały się niewystarczająco czułe, a także często czaso- i pracochłonne. Oznaczanie małych, a nawet bardzo małych ilości pierwiastków lub związków chemicznych stawało się możliwe dzięki metodom analitycznym, wykorzystującym właściwości fizyczne lub fizykochemiczne oznaczanych substancji.

Spośród różnych właściwości fizycznych lub fizykochemicznych w analityce wykorzystuje się na ogół te, których nasilenie jest zależne od stężenia (ilości) analizowanej substancji. Aby pomiar wartości wykorzystywanej w danej metodzie właściwości fizycznej lub fizykochemicznej był możliwy, należy dysponować odpowiednimi aparatami (instrumentami) pomiarowymi. W ten sposób powstawały i rozwijały się instrumentalne metody analizy chemicznej.

Podział metod analitycznych na klasyczne i instrumentalne ze względu na aparaturę pomiarową nie jest jednak ścisły i jednoznaczny. Przykładowo do wykonania analizy wagowej konieczna jest waga analityczna, będąca niewątpliwie aparatem fizycznym, a mimo to analizę tę zalicza się do klasycznych, natomiast np. chromatografia cienkowarstwowa (czy wcześniej stosowana chromatografia bibułowa), niewymagająca skomplikowanej aparatury, zaliczana jest do metod instrumentalnych.

Wątpliwości budzi także, do jakich metod zaliczyć metody ekstrakcyjne, które na ogół nie wymagają złożonej aparatury. Biorąc jednak pod uwagę charakter procesów zachodzących w metodach ekstrakcyjnych i ich duże podobieństwo do niektórych procesów chromatograficznych, w podręczniku ekstrakcja zamieszczona jest wśród metod instrumentalnych.

Mimo tego typu wątpliwości, tradycyjnie przyjmuje się, że instrumentalne metody analizy chemicznej oparte są na wykorzystaniu zjawisk fizycznych lub fizykochemicznych, a do wykonania takich analiz konieczna jest odpowiednia aparatura fizyczna lub fizykochemiczna.

1.2. Porównanie metod klasycznych i instrumentalnych

Najważniejszą zaletą metod instrumentalnych jest ich duża czułość, a tym samym duża wykrywalność i oznaczalność w porównaniu do metod chemicznych (klasycznych). W metodach klasycznych można oznaczać zawartości składników rzędu 10–1 % w analizie objętościowej i 10–2 % w analizie wagowej, natomiast metodami instrumentalnymi można oznaczać zawartości rzędu 10–5 % i mniejsze.

Ważną zaletą metod instrumentalnych jest na ogół duża szybkość wykonania analiz, która w wielu technologiach przemysłowych ma bardzo istotne znaczenie. Przykładowo podczas wytapiania metali z ich rud trzeba na bieżąco kontrolować skład wytopu. Jest to możliwe dzięki metodzie spektralnej, która umożliwia przeprowadzenie oznaczenia badanej mieszaniny w ciągu kilku minut, wykazując przy tym dużą selektywność. Należy jednak pamiętać, że w wielu metodach instrumentalnych łączny czas oznaczenia rozpoczynający się przygotowaniem próbki, a kończący na właściwym pomiarze może trwać dość długo, dłużej nawet niż w metodach klasycznych.

Niewątpliwą zaletą metod instrumentalnych jest ich obiektywność, ponieważ pomiar dokonywany jest zwykle przy użyciu odpowiedniego miernika elektrycznego lub odczytu cyfrowego. Obiektywności tej nie należy jednak mylić z dokładnością oznaczenia. Metody instrumentalne nie są niestety metodami dokładnymi, a często także nie są precyzyjne. Zazwyczaj jest tak, że im większa czułość danej metody, tym mniejsza jej dokładność i większe wartości popełnianych błędów. Dlatego pod względem dokładności i precyzji lepsze są metody klasyczne.

W analizie wagowej lub miareczkowej względna dokładność oznaczenia jest rzędu dziesiątych części procenta, podczas gdy w analizie instrumentalnej kilku lub kilkunastu procent. Podobnie jest ze względną precyzją oznaczeń wyrażaną wartością względnego odchylenia standardowego. W metodach klasycznych wartość tego odchylenia jest rzędu dziesiątych lub setnych części procenta, natomiast w metodach instrumentalnych jest rzędu kilku procent. Ogólnie można stwierdzić, że względna dokładność i precyzja metod klasycznych są o około rząd wielkości większe niż metod instrumentalnych.

Do wad metod instrumentalnych należy również ich porównywalny charakter. W metodach porównawczych nie oblicza się zawartości badanego składnika na podstawie wyznaczonej wielkości, ponieważ obliczenie takie byłoby bardzo skomplikowane, a niekiedy wręcz niemożliwe. W pomiarach instrumentalnych nie otrzymuje się bowiem bezpośrednich danych o stężeniu analizowanego składnika, tylko wartości odpowiednich wielkości fizycznych lub fizykochemicznych, które w dalszej kolejności służą do określenia ilości badanej substancji. Przykładowo w metodzie spektrofotometrii absorpcyjnej mierzy się absorbancję, w polarografii natężenie prądu, w konduktometrii przewodność roztworów, w potencjometrii potencjał elektrody itd.

Należy przy tym pamiętać, że nie zawsze można mierzyć bezpośrednio wartości niektórych wielkości fizycznych W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie odpowiednich detektorów, które stanowią bardzo ważny element aparatury pomiarowej. Wiele metod instrumentalnych znacznie się rozwinęło również dzięki opracowaniu nowoczesnych detektorów.

Detektor zamienia wykrywany sygnał na formę możliwą do obserwacji lub rejestracji. Przykładowo w wielu metodach detektory zamieniają trudne do zmierzenia natężenia promieniowania elektromagnetycznego (światło) w łatwo mierzalny prąd elektryczny. Więcej informacji ogólnych i opis poszczególnych detektorów znajduje się w kolejnych rozdziałach tego tomu.

Aby na podstawie uzyskanych danych określić stężenie (ilość) badanej substancji, należy zazwyczaj wykonać wstępną kalibrację, która polega na doświadczalnym wyznaczeniu zależności między ilością danego składnika w próbce a wynikiem pomiaru danej wielkości. Kalibrację wykonuje się używając próbek wzorcowych o znanych zawartościach oznaczanego składnika. Podczas przygotowywania i przechowywania takich próbek oraz ich analizowania można popełnić wiele błędów, które w sposób znaczący wpływają na dokładność całego oznaczenia.

Metody klasyczne są natomiast metodami bezwzględnymi. Zastosowane w nich reakcje chemiczne umożliwiają otrzymanie wielkości analitycznej, różniącej się od wielkości mierzonej jedynie tzw. mnożnikiem analitycznym. Bezwzględne metody analityczne nie wymagają przygotowania wzorców (poza roztworami mianowanymi) i na tym polega ich przewaga nad metodami instrumentalnymi, w których wzorce są potrzebne i analizowane metodami klasycznymi.

Metody instrumentalne w przeciwieństwie do metod klasycznych można stosunkowo łatwo automatyzować i komputeryzować, co wpływa dodatnio na skrócenie czasu analizy oraz wzrost dokładności i precyzji wyników poprzez eliminację subiektywnych błędów przypadkowych. Automatyzacja zmniejsza także znacząco koszty analiz seryjnych i umożliwia otrzymywanie wyników w formie gotowych wydruków.

Do wad metod instrumentalnych, oprócz opisanych wcześniej porównawczości oraz stosunkowo małej dokładności i precyzji, należy konieczność stosowania odpowiedniej, niekiedy bardzo kosztownej aparatury.

Z powodu ważkich zalet metod instrumentalnych (głównie dużej czułości), co powoduje szybki rozwój tych metod, często traktuje się je jako zdecydowanie lepsze i nowocześniejsze w stosunku do metod klasycznych. Należy jednak stwierdzić, że ocena taka jest niesłuszna, ponieważ metody klasyczne i instrumentalne często wzajemnie się uzupełniają, mając przy tym zarówno zalety, jak i wady. Dlatego od analityka należy oczekiwać umiejętności posługiwania się i metodami klasycznymi i instrumentalnymi.

1.3. Zarys rozwoju instrumentalnych metod analizy chemicznej

Zastosowanie w chemii analitycznej metod instrumentalnych rozpoczęło się w XVIII wieku na podstawie prac na temat absorpcji promieniowania widzialnego. Ich twórcami byli P. Bouger (1729), J.H. Lambert (1760) i A. Beer (1852). Wyniki prac tych badaczy stały się podstawą kolorymetrii, a następnie spektrofotometrii absorpcyjnej. W 1859 roku R. Bunsen i G. Kirchhoff podali podstawy atomowej analizy spektralnej, co stało się podstawą rozwoju takich metod jak: spektrografia, fotometria płomieniowa i emisyjna spektrometria atomowa. W latach 1953–1955 A. Walsh oraz C.T. Alkemade i J.M. Milatz opracowali podstawy absorpcyjnej spektrometrii atomowej.

Następną dużą grupę metod instrumentalnych stanowią metody elektrochemiczne, które pojawiły się w drugiej połowie XIX wieku. Dokładniej ich początek datuje się od 1864 roku, kiedy W. Gibbs opracował metodę elektrolitycznego oznaczania miedzi i niklu. W 1893 roku powstała praca R. Behrenda, poświęcona miareczkowaniu potencjometrycznemu. W 1922 roku J. Heyrovsky przedstawił podstawy polarografii, której rozwój i późniejsze znaczenie sprawiły, że badacz ten otrzymał w 1957 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

W 1895 roku W.K. Roentgen odkrył promienie X, zwane dziś powszechnie rentgenowskimi, co zapoczątkowało rozwój rentgenowskich metod analizy. Wkrótce potem, bo w 1898 roku H. Becquerel, P. Curie i nasza rodaczka M. Skłodowska-Curie odkryli zjawisko promieniotwórczości, za co w 1903 roku otrzymali Nagrodę Nobla. Odkrycie to stało się podstawą radiometrycznych metod analizy. Dalszy rozwój tych metod stał się możliwy dzięki otrzymaniu w 1935 roku przez Irenę i Fryderyka Joliot-Curie sztucznych izotopów promieniotwórczych, za co w tym samym roku otrzymali Nagrodę Nobla.

W 1904 roku M.S. Cwiet opublikował pracę o rozdzieleniu barwników zawartych w roślinach na kolumnie wypełnionej węglanem wapnia, początkując tym powstanie metod chromatograficznych. O dziwo, praca ta nie znalazła wówczas właściwego uznania i dopiero 25 lat później nastąpił intensywny rozwój chromatografii. Stało się tak w wyniku prac R. Kuhna i E. Lederera, a następnie A.J. Martina i R.L. Synge’a (Nagroda Nobla w 1952 r.), R. Consdena, A.H. Gordona, O. Samuelsona i innych.

Jak wynika z wyżej wymienionych danych, podstawy wielu metod instrumentalnych opracowane zostały dość dawno, ale zasadniczy ich rozwój nastąpił po II wojnie światowej. Obecny szybki rozwój metod instrumentalnych jest związany głównie z rozwojem techniki, a szczególnie elektroniki, co umożliwiło seryjną produkcję, a tym samym obniżenie ceny coraz bardziej zautomatyzowanych aparatów, które masowo znajdują zastosowanie w laboratoriach analitycznych.

1.4. Podział instrumentalnych metod analizy chemicznej

Tabela 1.1. Metody instrumentalne oparte na zjawiskach fizycznych

Lp.

Obserwowane zjawisko

Metoda analityczna

1.

Absorpcja promieniowania

Spektrometria absorpcyjna cząsteczkowa (VIS, UV, IR)

Absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA)

Absorpcja promieni rentgenowskich

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR)

Elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR, ESR)

2.

Rozproszenie i absorpcja

Turbidymetria

3.

Rozproszenie promieniowania

Nefelometria

Dyfrakcja promieni rentgenowskich

4.

Odbicie światła

Reflektometria

5.

Załamanie światła

Refraktometria

Interferometria

6.

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego

Polarymetria

7.

Emisja promieniowania

Fotometria płomieniowa

Spektrografia i spektrometria emisyjna

Fluorescencja rentgenowska

Fluorescencja atomowa

Spektrofluorymetria

8.

Strumień cząstek naładowanych w polu magnetycznym o różnym stosunku m/z

Spektrometria mas

9.

Strumień elektronów lub jonów o różnej energii

Spektrometria elektronów i jonów

10.

Efekty cieplne

(bez zmiany masy)

Termiczna analiza różnicowa (DTA)

Szybki rozwój i duża różnorodność metod instrumentalnych stwarzają wiele problemów przy w pełni przejrzystym ich sklasyfikowaniu, ponieważ istnieje wiele metod, które znajdują się na pograniczu możliwych do ustalenia ich grup.

Tabela 1.2. Metody instrumentalne oparte na zjawiskach fizykochemicznych

----- ------------------------------------------ ---------------------------------------------------
Lp. Obserwowane zjawisko Metoda analityczna

1. Wydzielanie elektrolityczne Elektrograwimetria,

Kulometria i miareczkowanie kulometryczne

2. Przepływ prądu między elektrodami Polarografia

Woltamperometria

Amperometria i miareczkowanie amperometryczne

3. Zmiana potencjału elektrody wskaźnikowej Potencjometria i miareczkowanie potencjometryczne

4. Przewodnictwo elektryczne roztworów Konduktometria i miareczkowanie konduktometryczne

Oscylometria i miareczkowanie oscylometryczne

5. Promieniowanie α, β, γ Metody radiometryczne

powstające w wyniku reakcji jądrowych

6. Zmiana masy ogrzewanej próbki Termograwimetria (TG)

7. Efekty cieplne (związane ze zmianą masy) Termiczna analiza różnicowa (DTA)
----- ------------------------------------------ ---------------------------------------------------

Dyskusyjne jest także kryterium podziału, dlatego w podręcznikach różnych autorów podziały te mogą być różne. W starszych podręcznikach część autorów proponowała podział metod instrumentalnych na:

– metody spektroskopowe (optyczne),

– metody elektrochemiczne,

– metody radiometryczne,

– metody chromatograficzne.

Do niedawna stosowano podział instrumentalnych metod analizy chemicznej na pięć grup:

– metody optyczne,

– metody spektroskopowe,

– metody elektroanalityczne,

– metody radiometryczne,

– metody rozdzielcze.

W ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania metodami analizy termicznej. Dlatego w proponowanym podręczniku zastosowano podział instrumentalnych metod analizy chemicznej na sześć grup:

1. Metody optyczne związane ze sprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na próbkę.

2. Metody spektroskopowe związane z niesprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na próbkę.

3. Metody elektroanalityczne (nazwa zalecana przez IUPAC) nazywane wcześniej elektrochemicznymi, związane z efektami towarzyszącymi przepływowi prądu elektrycznego przez badany roztwór lub spowodowane reakcjami zachodzącymi na elektrodach zanurzonych w badanym roztworze.

4. Metody rozdzielcze polegające na przeprowadzeniu oznaczanego składnika mieszaniny lub substancji przeszkadzających do innej fazy.

5. Metody radiometryczne związane z efektami naturalnej lub sztucznej promieniotwórczości oraz efektami współdziałania promieniowania jądrowego z badaną próbką.

6. Metody termoanalityczne polegające na badaniu przemian fizycznych i chemicznych zachodzących podczas kontrolowanych zmian temperatur.

1.4.1. Metody optyczne

Promieniowanie elektromagnetyczne jest rodzajem energii, mogącej przybierać różne formy, z których najbardziej znane to światło i promieniowanie cieplne. Promieniowanie elektromagnetyczne można traktować dwojako: jako falę (model fali sinusoidalnej) lub jako strumień fotonów (model korpuskularny). Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z próbką może mieć różny charakter i towarzyszyć mu mogą różne procesy, w zależności od właściwości próbki i energii promieniowania. Generalnie oddziaływania te mogą być sprężyste i niesprężyste.

W czasie oddziaływań sprężystych nie zachodzą zmiany ilości energii promieniowania, a wyłącznie zmiany jego kierunku (fali lub promieniowania korpuskularnego).

Metody te noszą nazwę metod optycznych i należą do nich (w nawiasie podano rodzaj zjawiska wykorzystywanego w danej metodzie):

1. Refraktometria (załamanie światła).

2. Interferometria (interferencja światła).

3. Polarymetria (polaryzacja światła i skręcenie płaszczyzny polaryzacji).

4. Nefelometria (rozproszenie światła).

5. Turbidymetria (rozproszenie światła).

1.4.2. Metody spektroskopowe

W przeciwieństwie do oddziaływania sprężystego – podczas niesprężystego oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką zachodzi między nimi wymiana energii zgodnie z regułami kwantowo-optycznymi.

Oddziaływania niesprężyste pozwalają na lepsze scharakteryzowanie badanej próbki, a metody na nich oparte, zwane metodami spektroskopowymi, są szeroko rozpowszechnione. W wyniku tego rodzaju oddziaływań można uzyskać dwa rodzaje widm, które są podstawą odpowiednich metod spektroskopowych: absorpcyjnych i emisyjnych. Do metod spektroskopowych należą metody, w których wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu 10⁶–10¹⁹ Hz, począwszy od częstotliwości radiowej do częstotliwości rentgenowskiej włącznie. Zakres powyżej 10¹⁹ Hz należy do metod radiometrycznych (tab. 1.3).

Tabela 1.3. Widmo elektromagnetyczne, jego dane charakterystyczne i zastosowania analityczne

+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+

Do metod opartych na zjawisku absorpcji promieniowania (o różnym zakresie długości fali) przez cząsteczki badanego ośrodka należą:

1. Spektrofotometria UV (zakres nadfioletu).

2. Spektrofotometria VIS (zakres światła widzialnego).

3. Spektrofotometria IR (zakres podczerwieni).

4. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego NMR (zakres fal radiowych).

5. Spektroskopia paramagnetycznego rezonansu elektronowego EPR lub ESR (zakres mikrofal).

Na absorpcji promieniowania przez atomy próbki oparte są metody:

6. Atomowej spektrometrii absorpcyjnej AAS (zakres UV i VIS).

7. Absorpcji rentgenowskiej.

Pochłonięta (zaabsorbowana) energia jest następnie tracona przez daną próbkę w wyniku emisji odpowiedniego kwantu promieniowania lub w wyniku przejść bezemisyjnych (rozproszenie cieplne).

Do metod opartych na zjawisku wzbudzenia, a następnie emisji promieniowania przez cząsteczki ośrodka badanego należą:

8. Fluorymetria (zakres UV i VIS).

9. Spektrometria ramanowska (zakres IR).

Natomiast zjawiska wzbudzenia i emisji promieniowania przez atomy badanego ośrodka są wykorzystywane w następujących metodach:

10. Fluorescencja rentgenowska (wzbudzenie promieniami rentgenowskimi).

11. Fluorescencja atomowa (wzbudzenie promieniowaniem UV i VIS).

12. Fotometria płomieniowa (wzbudzenie termiczne w płomieniu palnika).

13. Spektrografia i spektrometria emisyjna (wzbudzenie termiczne np. z użyciem łuku lub iskry elektrycznej).

Do metod spektroskopowych zaliczana jest na ogół także spektrometria mas, w której wykorzystuje się zjawisko jonizacji oznaczanych składników próbki i odchylania powstałych jonów w polu magnetycznym proporcjonalnie do stosunku ich ładunku do masy (z/m). W efekcie powstaje widmo badanej próbki, które służy do oznaczenia jej składników jakościowych i ilościowych.

1.4.3. Metody elektroanalityczne

Do metod elektroanalitycznych zaliczane są metody wykorzystujące zjawiska związane z przepływem prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów lub związane z reakcjami zachodzącymi na elektrodach zanurzonych w takich roztworach.

Ze względu na zróżnicowanie metod elektroanalitycznych istnieją różne sposoby ich klasyfikacji; często metody te dzieli się na pięć zasadniczych grup:

1. Metody potencjometryczne, polegające na pomiarze potencjału elektrody wskaźnikowej zanurzonej w badanym roztworze, przy czym potencjał ten jest proporcjonalny do stężenia oznaczanego jonu. Do metod potencjometrycznych należą potencjometria bezpośrednia i miareczkowanie potencjometryczne.

Tabela 1.4. Klasyfikacja metod elektroanalitycznych na podstawie zjawisk zachodzących w ogniwie

Lp.

Zjawisko

Wielkość mierzona

Nazwa metody analitycznej

1.

Przez ogniwo nie płynie prąd stały (nie pobiera prądu z ogniwa)

Przewodność (opór elektryczny)

Konduktometria i miareczkowanie konduktometryczne; oscylometria i miareczkowanie oscylometryczne

Potencjał elektrody

Potencjometria i miareczkowanie potencjometryczne

2.

Elektroliza w całej masie roztworu

Masa metalu lub tlenku metalu wydzielona na elektrodzie

Elektrograwimetria

Porównanie elektrogramów. Masa substancji rozpuszczonej elektrodowo

Elektrografia

Nabój elektryczny

Kulometria i miareczkowanie kulometryczne

3.

Elektroliza warstwy dyfuzyjnej

Natężenie prądu jako funkcja przyłożonego napięcia

Polarografia stałoprądowa, zmiennoprądowa i pulsowa;

woltamperometria

Natężenie prądu przy stałym napięciu

Miareczkowanie amperometryczne

Różnica potencjałów elektrod

Miareczkowanie potencjometryczne przy stałym niewielkim natężeniu prądu

2. Metody elektrolityczne, polegające na przepływie prądu elektrycznego między elektrodami zanurzonymi w roztworze i wydzieleniu oznaczanego składnika na jednej z elektrod, a następnie jego zważeniu. Do metod elektrolitycznych należą elektrograwimetria (elektroliza) i elektroliza wewnętrzna.

3. Metody kulometryczne, polegające na pomiarze ładunku elektrycznego przepływającego przez badany roztwór elektrolitu, niezbędnego do przeprowadzenia reakcji elektroutlenienia lub elektoredukcji oznaczanego składnika. Wartość zmierzonego ładunku elektrycznego umożliwia bezpośrednie obliczenie masy oznaczanego składnika. W przypadku oznaczania pośredniego do badanego roztworu wprowadza się odpowiednio dobraną substancję, której produkt utlenienia lub redukcji reaguje ilościowo z oznaczanym składnikiem. Rozróżnia się metody kulometryczne przy stałym potencjale lub przy stałym natężeniu prądu.

4. Metody oparte na pomiarze przewodności lub pojemności elektrycznej badanego roztworu; do metod tych należą konduktometria, miareczkowanie konduktometryczne, oscylometria i miareczkowanie oscylometryczne.

5. Metody woltamperometryczne, polegające na pomiarze natężenia prądu elektrycznego płynącego w układzie dwu odpowiednich elektrod, zanurzonych w badanym roztworze, pod wpływem napięcia przyłożonego do tych elektrod. Do metod woltamperometrycznych należą m.in. polarografia stałoprądowa, polarografia zmiennoprądowa, polarografia pulsowa, oscylopolarografia, woltamperometria oraz miareczkowanie amperometryczne z jedną lub dwiema elektrodami polaryzowanymi.

1.4.4. Metody rozdzielcze

Ważną operacją poprzedzającą oznaczenie danej substancji jest oddzielenie lub maskowanie przeszkadzających składników mieszaniny. Bardzo niewiele metod analitycznych charakteryzuje się specyficznością, także selektywność wielu metod jest ograniczona, dlatego na ogół przed oznaczaniem wydziela się badany składnik lub oddziela przeszkadzające składniki matrycy. Często podczas rozdzielania badanej mieszaniny ma miejsce zatężanie (koncentracja) analizowanego składnika, przez co zwiększa się czułość oznaczenia. Istnieje wiele technik rozdzielczych (tab. 1.5).

Tabela 1.5. Wybrane metody rozdzielania

----------------------------------- ------------------------ --------------------------- --------------- --------------------------
Podziałowe Wytrąceniowe Elektroanalityczne Fizyczne Mechaniczne

Ekstrakcja Wytrącanie, Elektroliza Destylacja Sedymentacja

Chromatografia Wytrącanie z nośnikiem Amalgamacja Elektroforeza Suszenie Ultrawirowanie

(gazowa, cieczowa) Wymiana jonowa Elektrodializa Krystalizacja Dializa

Wymrażanie Sita molekularne

Sublimacja Sączenie sitowe i żelowe
----------------------------------- ------------------------ --------------------------- --------------- --------------------------

Najczęściej stosowanymi instrumentalnymi metodami rozdzielczymi są:

1. Chromatografia, w której wykorzystuje się zjawisko podziału składników mieszaniny między fazę nieruchomą (stacjonarną) i ruchomą układu chromatograficznego.

2. Ekstrakcja, w której wykorzystuje się selektywne przemieszczanie oddzielanego składnika z jednej fazy do drugiej.

3. Elektroforeza, w której wykorzystuje się zróżnicowaną szybkość poruszania się naładowanych cząstek badanej mieszaniny w polu elektrycznym.

1.4.5. Metody radiometryczne

Metody radiometryczne polegają na pomiarze promieniowania jądrowego emitowanego przez naturalne i sztuczne izotopy promieniotwórcze. W metodach tych wykorzystywane są także efekty naświetlania badanej próbki promieniowaniem jądrowym.

Wśród metod radiometrycznych można wyróżnić następujące grupy:

1. Metody oparte na absorpcji i odbiciu promieniowania jądrowego.

2. Metody oznaczania naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w wyniku bezpośredniego pomiaru ich aktywności.

3. Metody aktywacyjne, polegające na naświetlaniu badanej próbki odpowiednim promieniowaniem (głównie neutronami i fotonami). W efekcie zachodzących w próbce przemian jądrowych powstają izotopy promieniotwórcze pierwiastków, emitujące promieniowanie, którego pomiar pozwala na identyfikację i oznaczenie danego pierwiastka. Do najważniejszych metod aktywacyjnych należą: metoda aktywacji neutronami termicznymi (reaktorowa), metoda aktywacji neutronami szybkimi (generatorowa) i metoda fotoaktywacji (betatronowa).

4. Metody polegające na wzbudzeniu atomów poprzez naświetlanie ich promieniowaniem γ ze źródeł izotopowych. Wzbudzone atomy emitują następnie charakterystyczne promieniowanie fluorescencyjne, którego pomiar umożliwia oznaczenie badanych pierwiastków. Metoda nosi nazwę niedyspersyjnej fluorescencji rentgenowskiej.

5. Metody wskaźników promieniotwórczych, których stosowanie ma istotne znaczenie w innych metodach analitycznych, szczególnie w metodach rozdzielczych.

Ponieważ w metodach radiometrycznych wykorzystuje się izotopy promieniotwórcze, podczas pracy z nimi niezbędne są odpowiednio wyposażone laboratoria i konieczność przestrzegania przepisów ochrony radiologicznej. Ze względu na specyfikę praktycznego stosowania tych metod, nie będą one omawiane w dalszej części tego podręcznika.

1.4.6. Metody termoanalityczne

Metody termoanalityczne, a szczególnie DSC lub DTA stosowane alternatywnie oraz TG, są nowoczesnymi, zautomatyzowanymi i skomputeryzowanymi technikami instrumentalnymi, które umożliwiają badanie w szerokim zakresie temperatur przemian fizycznych i chemicznych, jakim ulegają różne substancje i mieszaniny tych substancji, na różnych etapach procesu technologicznego podczas zmian temperatur zachodzących w kontrolowany sposób.

W odróżnieniu od powszechnie stosowanych innych metod analizy instrumentalnej, takich jak: techniki spektrofotometryczne, elektroanalityczne, chromatograficzne lub elektroforetyczne, metody analizy termicznej zapewniają szybką analizę próbki bez konieczności jej wstępnego przygotowania.

Tabela 1.6. Przegląd metod analizy termicznej

------------------------------------------------------------------ ------------------------------------- -------
Mierzony parametr Metoda Skrót
Temperatura Krzywe ogrzewania i studzenia
Różnica temperatury Różnicowa analiza termiczna DTA
Swobodny przepływ strumienia ciepła (heat flux) Różnicowa kalorymetria skaningowa DSC
Kompensowany przepływ ciepła (power compensation) Różnicowa kalorymetria skaningowa DSC
Zmiana masy Termograwimetria TG
Objętość wydzielającego się składnika gazowego Detekcja produktów gazowych EGD
Analiza składu chemicznego wydzielanych gazów Analiza składu produktów gazowych EGA
Oznaczanie wydzielających się radioaktywnych składników gazowych Emanacyjna analiza termiczna ETA ETA
Dyfrakcja promieni X Termodyfraktometria
Przepływ prądu elektrycznego Termoelektrometria
Polaryzacja elektryczna Dielektryczna analiza termiczna
Magnetyzacja Termomagnetometria
Zmiana wymiarów Termodylatometria TD
Deformacja pod wpływem obciążeń Analiza termomechaniczna TMA
Moduł tłumienia drgań wywołanych oscylacyjnym obciążeniem Dynamiczna analiza termomechaniczna DTMA
Przepływ fal akustycznych Termoakustymetria TA
Natężenie efektów dźwiękowych Termosonimetria TS
Współczynnik załamania światła Termorefraktometria
Luminescencja Termoluminescencja
Pomiar widma światła przechodzącego lub odbitego Termospektroskopia
Obraz mikroskopowy Termomikroskopia
------------------------------------------------------------------ ------------------------------------- -------

Spośród technik analizy termicznej największe znaczenie w praktyce zyskały:

1. Różnicowa analiza termiczna (DTA). Polega na pomiarze różnicy temperatury (ΔT) między próbką (Ts) i substancją odniesienia (Ti). Obie substancje ogrzewane są równocześnie w jednakowych warunkach przy liniowym wzroście lub obniżaniu temperatury. Uzyskaną różnicę temperatury rejestruje się w funkcji czasu (t) lub temperatury (T), otrzymując krzywą DTA:

2. Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC). Rejestruje się tutaj energię konieczną do sprowadzenia do zera różnicy temperatur między próbką i substancją odniesienia. Podobnie jak w DTA, obie próbki ogrzewa się lub chłodzi w sposób kontrolowany, a krzywa DSC odzwierciedla ilość ciepła wymienionego przez próbkę z otoczeniem w jednostce czasu w funkcji czasu (t) lub temperatury (T):

3. Termograwimetria (TG). W metodzie tej rejestruje się zmiany masy, jej ubytek, względnie przyrost (Δm), zachodzące w wyniku ogrzewania próbki w warunkach liniowego wzrostu temperatury i wykreśla się te zmiany w funkcji czasu (t) lub temperatury (T), otrzymując krzywą TG:

lub rejestruje się szybkość zmiany masy (dm/dt), uzyskując różniczkową krzywą termograwimetryczną (DTG):

Pozostałe metody termoanalityczne nie znajdują tak szerokiego zastosowania, ponieważ wymagają bardzo skomplikowanej aparatury i mogą być wykorzystane jedynie w przypadku badania wąskiej grupy substancji.

1.5. Literatura książkowa

Wymienione niżej książki są na ogół podręcznikami studenckimi lub stanowią opracowania zagadnień wchodzących w zakres instrumentalnych metod analitycznych.

1. Alpert N.L., Keiser W.E., Szymański H.A.: Spektroskopia w podczerwieni. PWN, Warszawa 1974.

2. Barańska H., Łabudzińska A., Terpiński J.: Laserowa spektrometria ramanowska. PWN, Warszawa 1981.

3. Brzózka Z. (red.): Laboratorium analizy instrumentalnej. Politechnika Warszawska, Warszawa 1998.

4. Brzózka Z. (red.): Miniaturyzacja w analityce. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.

5. Bulska E., Pyrzyńska K. (red.): Zastosowanie metod spektrometrii atomowej w przemyśle i ochronie środowiska. Komitet Chemii Analitycznej PAN, Warszawa 1999.

6. Camman K.: Zastosowanie elektrod jonoselektywnych. WNT, Warszawa 1977.

7. Cygański A.: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej. WNT, Warszawa 2017.

8. Cygański A.: Metody elektroanalityczne. WNT, Warszawa 1995.

9. Dittrich K.: Absorpcyjna spektrometria atomowa. PWN, Warszawa 1988.

10. Galus Z.: Teoretyczne podstawy elektroanalizy chemicznej. PWN, Warszawa 1977.

11. Ewing G.W.: Metody instrumentalne w analizie chemicznej. PWN, Warszawa 1980.

12. Farmakopea Polska V. T. 1–3. Wydawnictwo Polskiego Towarzystwa Farmaceutycznego, Warszawa 2016.

13. Jarosz M., Malinowska E.: Pracownia chemiczna. Analiza instrumentalna. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1994.

14. Kalwoda R. (red.): Elektroanaliza w ochronie środowiska naturalnego. WNT, Warszawa 1992.

15. Kęcki Z.: Podstawy spektroskopii molekularnej. PWN, Warszawa 1992.

16. Kryściak J.: Chemiczna analiza instrumentalna. PZWL, Warszawa 1989.

17. Michalski R.: Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania. WNT, Warszawa 2020.

18. Marczenko Z.: Spektrofotometryczne oznaczanie pierwiastków. PWN, Warszawa 2001.

19. Minczewski J., Chwastowska J., Dybczyński R.: Analiza śladowa. WNT, Warszawa 1973.

20. Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna. T. 3. Analiza instrumentalna. PWN, Warszawa 2018.

21. Namieśnik J. (red.): Metody instrumentalne w kontroli zanieczyszczeń środowiska. Politechnika Gdańska, Gdańsk 1992.

22. Nowicka-Jankowska T. (red.): Spektrofotometria UV-VIS w analizie chemicznej. PWN, Warszawa 1988.

23. Pinta M.: Absorpcyjna spektrometria atomowa. PWN, Warszawa 1977.

24. Przeszlakowski S.: Obliczenia w chemii analitycznej. Akademia Medyczna, Lublin 1996.

25. Suprynowicz Z. (red.): Współczesne kierunki chromatografii. UMCS, Lublin 1986.

26. Szczepaniak W.: Metody instrumentalne w analizie chemicznej. PWN, Warszawa 2022.

27. Szmal Z.S., Lipiec T.: Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej. PZWL, Warszawa 1996.

28. Szyszko E.: Instrumentalne metody analityczne. PZWL, Warszawa 1982.

29. Wesołowski M., Szefer K., Zimna D.: Zbiór zadań z analizy chemicznej. WNT, Warszawa 2021.

30. Witkiewicz Z., Kałużna-Czaplińska J.: Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych. WNT, Warszawa 2017.

31. Witkiewicz Z., Wardencki W.: Chromatografia gazowa. PWN, Warszawa 2021.

32. Zuba D., Parczewski A. (red.). Chemometria w analityce: wybrane zagadnienia. Wydawnictwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków 2008.3 Polarymetria Anna Błażewicz

3.1. Podstawy teoretyczne

3.1.1. Polaryzacja światła

Badania Maxwella dotyczące teorii zjawisk elektromagnetycznych doprowadziły do stwierdzenia, że światło jest falą elektromagnetyczną, której drgania zachodzą we wszystkich możliwych kierunkach (płaszczyznach), zawsze prostopadłych do kierunku biegu promienia. Światło takie jest niespolaryzowane (ryc. 3.1a).

Rycina 3.1a, b. Kierunki drgań świetlnych: a – różne kierunki w wiązce światła niespolaryzowanego, b – jeden kierunek w wiązce światła spolaryzowanego.

Światło spolaryzowane jest natomiast takim światłem, w którym drgania fali świetlnej są uporządkowane w jednej płaszczyźnie (ryc. 3.1b).

Drgania wektora natężenia pola elektrycznego E i wektora natężenia pola magnetycznego H są w fali świetlnej wzajemnie prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali. Wektor E, zwany wektorem świetlnym, wyznacza kierunek drgań promieni świetlnych. Płaszczyzna, w której zachodzą drgania, nazywa się płaszczyzną drgań, a płaszczyzna prostopadła do niej płaszczyzną polaryzacji (ryc. 3.2).

Rycina 3.2. Schemat światła spolaryzowanego liniowo: E – wektor natężenia pola elektrycznego, H – wektor natężenia pola magnetycznego, r – promień.

Rycina 3.3a–c. Zjawiska, w których powstaje światło spolaryzowane: a – odbicie światła od powierzchni pod kątem Brewstera, b – dwójłomność, c – dichroizm.

Najprostsze sposoby otrzymywania światła spolaryzowanego oparte są na:

1. Odbiciu światła od ośrodka o współczynniku załamania n pod tzw. kątem Brewstera j, czyli kątem padania, przy którym promień odbity jest prostopadły do promienia załamanego, spełniającego zależność n = tg j (promień odbity jest całkowicie spolaryzowany, a promień załamany częściowo spolaryzowany) (ryc. 3.3a). Dla szkła o współczynniku załamania n = 1,5 kąt Brewstera równa się 56,3°, a dla wody wynosi 53° i zależy od długości fali światła.

2. Zjawisku dwójłomności, polegającym na tym, że promień światła niespolaryzowanego padający na pewne substancje anizotropowe (np. minerał kalcyt zwany szpatem islandzkim) rozdziela się na dwa promienie spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych (ryc. 3.3b).

3. Zjawisku dichroizmu, czyli różnego (wybiórczego) pochłaniania promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego w ośrodku anizotropowym (ryc. 3.3c).

Na zasadzie dichroizmu oparte jest działanie polaroidów, czyli cienkich płytek składających się z warstwy jednakowo zorientowanych, bardzo małych kryształów, np. turmalinu lub siarczanu jodochininy, gęsto ułożonych na błonie celuloidowej, zabezpieczonych cienką płytką szklaną. Jeżeli ustawi się błonę prostopadle do wiązki światła niespolaryzowanego, wówczas drgania prostopadłe zostaną praktycznie całkowicie przepuszczone, natomiast równoległe do łańcuchów polimerów nasyconych atomami jodu zostaną pochłonięte przez te atomy. Tak więc, światło niespolaryzowane po przejściu przez polaroid staje się światłem spolaryzowanym liniowo.

Rycina 3.4. Schemat pryzmatu Nicola.

W praktyce w polarymetrach światło spolaryzowane otrzymuje się, stosując pryzmaty Nicola, nazywane potocznie nikolami (ryc. 3.4). Charakterystyczna budowa nikola ma na celu przepuszczenie jednego z promieni – promienia nadzwyczajnego, a zatrzymanie (usunięcie) drugiego – promienia zwyczajnego. Nikol składa się z dwóch pryzmatów kalcytu (CaCO₃) oszlifowanych w taki sposób, aby kąt łamiący pryzmatu wynosił 68° i sklejonych w miejscu przecięcia wzdłuż osi balsamem kanadyjskim o współczynniku załamania n = 1,55.

Promień światła niespolaryzowanego, padając na nikol, rozdziela się na dwa promienie: zwyczajny (nz = 1,66) i nadzwyczajny (nn = 1,49). Obydwa promienie są spolaryzowane i drgają w płaszczyznach prostopadłych do siebie. Promień zwyczajny podlega prawom Snelliusa (patrz rozdz. 2) i padając na granicę ośrodków, kalcyt (ośrodek optycznie gęstszy) – balsam kanadyjski (ośrodek optycznie rzadszy) pod pewnym kątem (większym od βgran.) – ulega całkowicie wewnętrznemu odbiciu i pochłonięciu przez nikol. Promień nadzwyczajny, niepodlegający prawom optyki, przechodzi przez warstwę balsamu kanadyjskiego oraz drugi pryzmat z kalcytu i wychodzi z nikola nieco osłabiony i spolaryzowany liniowo.

Jeżeli ustawi się dwa identyczne nikole tak, aby otrzymane światło spolaryzowane w jednym z nich padało na drugi, wówczas, obracając drugim nikolem, obserwuje się pojawianie i zanikanie jasnego obrazu.

Rycina 3.5. Nikole ustawione równolegle.

Stwierdzono, że światło spolaryzowane przechodzi bez przeszkód przez nikol tylko wtedy, gdy płaszczyzna przecięcia głównego nikola jest równoległa do płaszczyzny drgań wektora świetlnego. Światło spolaryzowane powstałe w jednym nikolu przechodzi przez drugi nikol, jeżeli oba nikole ustawi się płaszczyznami przecięcia głównego równolegle do siebie (ryc. 3.5).

Rycina 3.6. Nikole skrzyżowane.

Jeżeli płaszczyzna drgań światła spolaryzowanego jest prostopadła do płaszczyzny przecięcia głównego nikola, wtedy światło spolaryzowane nie przechodzi przez tak ustawiony nikol. Oznacza to, że światło spolaryzowane wytworzone w jednym z nikoli nie przechodzi przez drugi z nich, jeżeli nikole ustawi się płaszczyznami przecięcia głównego prostopadle do siebie. Tak ustawione nikole nazywa się skrzyżowanymi (ryc. 3.6).

Pierwszy z nich, za którego pomocą otrzymuje się światło spolaryzowane, nazywa się polaryzatorem, a drugi, za którego pomocą można zmierzyć o jaki kąt została skręcona płaszczyzna polaryzacji światła, nazywa się analizatorem.

3.1.2. Czynność optyczna substancji

W metodzie optycznej zwanej polarymetrią mierzy się wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo. Zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego mają substancje optycznie czynne zarówno organiczne, jak i nieorganiczne, np. kwarc, białka czy roztwory cukrów.

Aktywność optyczna substancji jest związana z budową przestrzenną jej cząsteczek. Najogólniej mówiąc, jeżeli cząsteczki danego związku nie posiadają elementów symetrii (tj. środka symetrii i płaszczyzny symetrii) są optycznie czynne.

Cząsteczki asymetryczne są równocześnie cząsteczkami chiralnymi (gr. cheir – ręka), tzn. nie są identyczne z ich odbiciami lustrzanymi, tak jak relacja pomiędzy prawą i lewą ręką, których nie można nałożyć na siebie tak, aby pokrywały się ze sobą wszystkie palce. Najczęstszym, choć niejedynym powodem asymetrii cząsteczki, jest obecność czterech różnych podstawników związanych z tym samym atomem węgla, tzw. węglem asymetrycznym.

np. aldehyd glicerynowy

Centrami chiralnymi cząsteczek organicznych mogą być nie tylko atomy węgla, lecz także takie heteroatomy, jak azot, siarka czy fosfor.

Substancje optycznie czynne mogą skręcać płaszczyznę polaryzacji światła w prawo (są to tzw. substancje prawoskrętne) lub w lewo (substancje lewoskrętne). Jeżeli substancja skręca płaszczyznę polaryzacji światła w prawo, czyli zgodnie z ruchem wskazówek zegara, oznaczona jest znakiem (+) przed liczbą określającą wartość kąta, jeżeli w lewo, znakiem (–). Kierunek skręcania określamy, patrząc w kierunku przeciwnym do kierunku biegu promienia.

3.1.3. Skręcalność właściwa

Wartość kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji światła zależy od stężenia badanego roztworu (próbki), długości naczynia, w którym znajduje się badany roztwór (grubości warstwy roztworu, przez które przechodzi światło), długości fali światła oraz od temperatury.

W analizie jakościowej ważny jest fakt, że kąt ten zmierzony w odpowiednich warunkach to wielkość charakterystyczna dla danej substancji. Jeżeli dokona się pomiaru wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji w temperaturze 20°C w świetle linii D sodu (λ = 589,3 nm), można obliczyć wartość wielkości charakteryzującej daną substancję, tzw. skręcalności właściwej, którą wyraża się wzorem:

(3.1)

gdzie:

α – zmierzony kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła przez badaną próbkę, wyrażony w stopniach,

l – grubość warstwy substancji skręcającej (dla substancji stałych wyrażonej w milimetrach, dla ciekłych w decymetrach),

d – gęstość próbki (g ∙ ml–1).

W przypadku roztworów substancji optycznie czynnych wprowadza się do wzoru na skręcalność właściwą wartość stężenia c tych substancji w roztworze i wówczas wzór (3.1) przyjmuje postać:

(3.2)

gdzie:

c – stężenie wyrażone w gramach na 100 ml roztworu,

l – grubość warstwy roztworu w decymetrach.

Jeżeli stężenie wyrażone jest w g ∙ ml–1, a grubość w dm, to jednostką skręcalności właściwej jest: .

Identyfikacja substancji metodą polarymetryczną polega na wyznaczeniu skręcalności właściwej będącej wielkością indywidualną każdej substancji.

Tabela 3.1. Skręcalność właściwa D²⁰ niektórych roztworów

--------------------------------- --------- ---------------- --------------------
Substancja optycznie czynna Roztwór Rozpuszczalnik D²⁰

%

Cholesterol 2 etanol 90% –28° do –31°

Kamfora naturalna prawoskrętna 10 etanol 95% +40° do +42°

Kamfora syntetyczna lewoskrętna 10 etanol 95% –32,5° do –42,5°

Kwas winowy 10 woda +12°

Progesteron 2 dioksan +172° do +182°

Sacharoza 10 woda +66,25° do +66,75°
--------------------------------- --------- ---------------- --------------------

Podstawą oznaczenia ilościowego substancji metodą polarymetryczną jest proporcjonalność kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła do stężenia substancji wywołujących to skręcenie. Po przekształceniu wzoru 3.2 otrzymujemy wzór na wartość stężenia badanego roztworu (wyrażonego w gramach na 100 ml roztworu):

c

(3.3)

3.2. Aparatura polarymetryczna

Aparaty służące do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji nazywają się polarymetrami. Polarymetry dzielą się na dwa zasadnicze typy: polarymetry klinowe i kołowe. W laboratoriach analiz diagnostyczno-lekarskich największe zastosowanie znalazły polarymetry kołowe.

Nazwa polarymetrów kołowych pochodzi stąd, że obracane analizatory połączone są z tarczą kołową, zaopatrzoną w skalę kątową.

Zasada działania polarymetrów kołowych polega na obróceniu analizatora o taki kąt, o jaki skręciła płaszczyznę światła spolaryzowanego (uzyskanego w polaryzatorze) substancja optycznie czynna umieszczona między skrzyżowanymi nikolami, aby ponownie uzyskać największe, jednolite zaciemnienie obrazu w okularze. Zaciemnienie to powinno być identyczne z zaciemnieniem widocznym w okularze przed wprowadzeniem do aparatu substancji optycznie czynnej.

Zasadniczą częścią polarymetru są dwa nikole: polaryzator i analizator, pomiędzy którymi jest umieszczona rurka z badaną substancją. Na początku pomiarów ustawia się tzw. zero polarymetru, czyli chodzi o takie położenie obu nikoli,

Rycina 3.7. Schemat budowy polarymetru kołowego.

przy którym następuje maksymalne zaciemnienie pola widzenia. Umieszczenie substancji optycznie czynnej pomiędzy skrzyżowanymi nikolami spowoduje rozjaśnienie pola widzenia w lunetce, a więc światło spolaryzowane po przejściu przez badaną próbkę zmieni kierunek drgań. Aby ponownie otrzymać całkowite zaciemnienie obrazu, wystarczy obrócić analizator o kąt będący kątem skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła przez substancję optycznie czynną.

Rycina 3.8. Schemat polarymetru półcieniowego dwupolowego.

W celu dokładnego ustawienia położenia analizatora względem polaryzatora umieszcza się w polarymetrach dodatkowo jeden (ryc. 3.8) lub dwa (ryc. 3.9) małe nikole, tzw. półpryzmaty lub półcieniowe polaryzatory Lippicha (P₁, P₂), pozwalające na bardziej precyzyjne określenie momentu największego lub najmniejszego zaciemnienia pola widzenia. Wiadomo bowiem, że oko ludzkie niezbyt precyzyjnie określa maksimum lub minimum oświetlenia, a dosyć dobrze pozwala zaobserwować, czy jasności obu sąsiednich pól są jednakowe.

Rycina 3.9. Schemat polarymetru półcieniowego trójpolowego.

Źródłem światła monochromatycznego w polarymetrze jest zwykle lampa sodowa.

Dokładność pomiarów polarymetrycznych zależy od przezroczystości badanego roztworu oraz czystości elementów optycznych w polarymetrze. Należy o tym szczególnie pamiętać podczas oznaczania stężenia cukru metodą polarymetryczną, stosując polarymetry zwane sacharymetrami. Należy także uważać, aby podczas zakręcania rurki polarymetrycznej, zawierającej badany roztwór nie dopuścić do przedostania się bańki powietrza do środka.

3.3. Zastosowanie polarymetrii

Jak wcześniej wspomniano, podstawą oznaczeń metodą polarymetryczną jest proporcjonalność kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji do stężenia substancji wywołującej to skręcenie.

W analityce lekarskiej metoda ta stosowana jest do wyznaczania stężenia glukozy w moczu osób chorych na cukrzycę. W przemyśle cukrowniczym bada się zawartość procentową sacharozy np. w syropach, soku buraczanym itp.

Polarymetria znajduje ponadto zastosowanie w identyfikacji i oznaczaniu wielu środków leczniczych, syntetycznych i naturalnych związków organicznych (alkaloidów, tłuszczów, węglowodanów itd.).

Pomiary polarymetryczne stosuje się także do badania równowag i mechanizmów reakcji, zwłaszcza wśród optycznie czynnych związków organicznych, a także w stereochemii, gdzie zależność skręcalności właściwej od długości fali światła spolaryzowanego (tzw. dyspersja skręcalności optycznej) jest pomocna przy określaniu budowy przestrzennej złożonych związków chemicznych, np. terpenów, białek, sterydów itp.