Universidad Central de Venezuela Facultad de Agronomía Departamento de Química y Tecnología Cátedra de: Análisis de Productos Agrícolas I.
Tema 7 Refractometría y Polarimetría
Profesores de la cátedra: Ing° Alejandra Ramírez Ing° Fanny E. Molina Suárez Ing° Marlene Mora Elaborado por: Ing° Fanny E. Molina Suárez Técnico: Hecni Meneses
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Análisis de Productos Agrícolas I
Refractometría I.
Refracción:
Cambio en la velocidad y dirección de propagación debido a que pasa de un medio a otro (Figura 1) FIGURA 1: LEY DE REFRACCIÓN Transmitida
Radiación electromagnética
Absorbida
Reflejada
Dispersada Material
Involucra la determinación de:
II.
El Índice de refracción de una sustancia n
El porcentaje de Sólidos Solubles (°BRIX)
El índice de refracción:
Se define como el cociente entre el seno del ángulo de incidencia (sen i) y el seno del ángulo de refracción (sen r) de la luz monocromática, al pasar de un medio menos denso generalmente aire a un medio más denso (Figura 2) El índice de refracción es una constante física, característico de cada sustancia, comúnmente expresado como:
n2 sen i 1 n1 2 sen r
En el vacío: n 1 1
Entonces se obtiene:
n2 C
2
1 C
sen i sen r
sen i sen r
En general:
ni
Donde:
n i Indice de refracción de la sustancia
i
C
y
C Velocidad de propagación en el vacío (es constante)
i Velocidad de propagación en el medio
2
Análisis de Productos Agrícolas I
El índice de refracción depende fuertemente de la composición de la muestra, de la temperatura y de la longitud de onda de la luz utilizada, se suele medir n con la línea espectral de la luz amarilla del sodio (Línea D= 589nm) y a T=2O, 25 o 40°C y se denota como: n Dt Figura 2: Ley de refracción en los dos medios.
En condiciones de laboratorio un índice de refracción n D medido con respecto al aire, con la línea D de sodio puede convertirse en n vac con la
siguiente
nvac 1.00027nD
ecuación:
El Índice de refracción en Líquidos varía entre 1.3 y 1.8
El Índice de refracción en Sólidos varía entre 1.3 y 2.5
Existe una relación entre el índice de refracción y la densidad que permite conocer la refractividad específica, la cual es independiente de la temperatura y se obtiene según la ecuación de Lorentz-lorentz:
r
n n
2 2
1 1 * 2 d
Donde:
r= Refractividad Específica
d = Densidad
M = Peso Molecular Se dice entonces que:
R
n n
2 2
Donde:
III.
R r *M
1 M * 2 d R= Refractividad Molar
Factores que afectan la medición del índice de refracción
1. Temperatura: Es una medida del cambio de densidad. La temperatura debe ser controlada para poder obtener mediciones precisas de índice de refracción. Para el líquido medio las fluctuaciones de temperatura deben ser menores de 0.2 °C, si se requiere precisión de cuatro decimales. En general un aumento 3
Análisis de Productos Agrícolas I de (T), disminuye la densidad y el índice de refracción, el índice de refracción puede ser corregido en muestras de grasa y aceite por temperatura, usando las siguientes ecuaciones: Aceites:
n Corregida
n 0 0,000385 (T 0 T s ) T s 25 C
Grasas:
n Corregida
n 0 0,000365 (T 0 T s ) T s 40 C
2. Presión: En General para los líquidos un aumento en la presión aumenta la densidad y por ende aumenta el índice de refracción. En los gases el efecto es más pronunciado y para sólidos es aún menor que en los líquidos. La variación en la presión atmosférica solo es importante para trabajo con gases.
n aire 1,00027 (1atm ) n aire 1,03 (100 atm ) 3. Longitud de Onda: El índice de refracción en un medio transparente disminuye gradualmente al aumentar la longitud de onda (Aumento de longitud de onda, disminuye el índice de refracción)
IV.
Aplicaciones de la Refractometría:
1. Cualitativamente: 1.1. Para describir (Identificar y Caracterizar) una especie química por ejemplo aceites y grasas 1.2. En la identificación de sustancias desconocidas por comparación con valores tabulados en la literatura 1.3. En la identificación de compuestos puros, correlacionado con los puntos de ebullición y fusión 2. Cuantitativamente: 2.1.
Para medir la pureza de un compuesto
2.2.
Evaluación de calidad en grasas y aceites
2.3.
Control de procesos de hidrogenación
2.4.
Determinación de sólidos solubles en frutas y productos de frutas tales como jaleas, mermeladas, néctares, pulpas, etc.
2.5.
Determinar la concentración de soluciones acuosas de azúcar (da concentración total de carbohidratos)
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Análisis de Productos Agrícolas I 2.6.
Determinación de sólidos totales en productos de tomates, jugos cítricos, proteínas, huevos, leche, y productos lácteos, cerveza, vinagre, alcohol.
2.7.
Cálculo de la densidad a partir de valores de “r” tabulados
2.8.
Determinación cuantitativa del contenido de agua en miel
2.9.
Para determinar el extracto de alimentos que esté formado principalmente por azúcar (sacarosa), como los es el caso de las confituras, miel, jarabe de almidón, zumos etc.
2.10. Evaluar la composición de un líquido binario o una mezcla gaseosa 2.11. Determinación de concentraciones de azufre en caucho no vulcanizado 2.12. Para evaluar aparatos y métodos para separaciones como destilación, extracción, Cromatografía de adsorción y difusión
V.
Instrumentos para medir el índice de refracción
1. Los Refractómetros: a)
Los que se basan en la medición del ángulo crítico
b)
Los basados en la determinación del desplazamiento de una imagen
2. Los Interferómetros: Utilizan el fenómeno de la interferencia para obtener índices de refracción diferenciales, con alta precisión.
VI.
Refractómetro de Ángulo Crítico: Son los instrumentos más usados
FIGURA 3: ÁNGULO CRÍTICO El ángulo crítico se forma, cuando el ángulo del rayo incidente se encuentra a un nivel tal que el ángulo de refracción llega a ser de 90° (Figura 3), es decir la radiación no pasa del medio 1 al medio 2, pero viaja a lo largo de la superficie de la división perpendicular a la normal, en forma rasante a la superficie. En otras palabras es el ángulo para el cual el ángulo de refracción es de 90°, y tras el cual la reflexión total es obtenida.
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Análisis de Productos Agrícolas I Clasificación: 1. Refractómetro de Inmersión: El prisma queda sumergido en la muestra y sobre la cara del prisma se refleja la luz blanca procedente de un espejo. Posee un solo prisma Amici el cual es un compensador que permite el uso de radiación de una fuente de tungsteno, ya que compensa la luz dispersada en luz blanca en función de la línea D del sodio. (Figura 4) las características del Refractómetro de Inmersión son: FIGURA 4: PRISMA AMICI Roja
Luz Dispersada
Amarilla
Luz Blanca
Azul
1.1.
Es el más sencillo de los Refractómetros de ángulo crítico
1.2.
Requiere muestras grandes
1.3.
Lectura que debe ser transformada en índices de refracción por tablas
1.4.
Rango de n = 1.32 a 1.54
1.5.
Un prisma sólo abarca n = 0.04, por lo que usa prismas intercambiables para cubrir el rango de lectura
1.6.
Apreciación de 0.0002 unidades
1.7.
Dificultad para mantener constante la temperatura
1.8.
Usado extensamente en análisis cuantitativo de soluciones acuosas
2. Refractómetro ABBE: Es el más cómodo y más usado, la muestra queda contenida como una capa delgada de 0.01mm entre dos prismas. El prisma superior puede rotar ya que presenta un punto de apoyo, el inferior forma bisagra con el superior para permitir su limpieza e introducción de la muestra (Figura 5) 2.1.
Versátil, práctico
2.2.
Más generalizado
2.3.
Requiere muestras pequeñas
2.4.
Da lecturas de n y de °Brix
2.5.
Rango de n de 1.3 a 1.7
6
Análisis de Productos Agrícolas I 2.6.
Puede usar luz blanca o luz de sodio
2.7.
Precisión 0.001, °Brix 0.5 unidades
2.8.
Más usado en alimentos
2.9.
Sistema comparador formado por 2 prismas Amici
2.10. Existen tres modelos en el mercado: t Modelo ABBE Completo: Usa luz Blanca, mide nD como °Brix
Modelo ABBE Completo: Usa luz amarilla, mide sólidos solubles Modelo ABBE Manual:
Usa luz Amarilla, mide °Brix
FIGURA 5: REFRACTÓMETRO ABBE
Lentes
Prismas 2
Fuente
Espejo
Amici
Telescopio
3. Refractómetro Pulfrich: La muestra se mantiene sobre la superficie horizontal del prisma por medio de un cilindro de vidrio muy ajustado. El límite crítico se observa con un telescopio montado sobre una tabla giratoria calibrada, el n se determina por la posición del telescopio respecto al prisma. Tiene un bloque grande lo que lo hace menos cómodo Corrección a 20°C Puede determinar el índice de refracción en sólidos y líquidos Manejo de la muestra Mantener la temperatura constante Es más preciso que el ABBE
VII.
Normas COVENIN
Covenin
ICS
Titulo
0924:1983
67.080.10
Frutas y productos derivados. Determinación de sólidos solubles por Refractometría
0702:2001
67.200.10
Aceites y grasas vegetales. Determinación del índice de refracción
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Análisis de Productos Agrícolas I
Polarimetría Es un método de análisis químico que nos permite medir el cambio que sufre el plano de luz polarizada cuando atraviesa un medio transparente formado por sustancias ópticamente activas
I.
Luz Polarizada:
FIGURA 1: LUZ POLARIZADA P
La luz polarizada se obtiene cuando se logra que la radiación vibre en un solo plano con respecto al haz de la trayectoria (Figura 1). La vibración se da en un solo plano en el espacio. La luz polarizada se obtiene por reflexión y por refracción.
O L A R I Z A D O
Haz de luz no polarizada
II.
R
Plano polarizado
Como se obtiene luz Polarizada:
La luz polarizada linealmente se obtiene a partir de la luz natural, cuando con los dispositivos ópticos adecuados (por ejemplo prismas de Nicol, filtros de polarización) se eliminan todos aquellos componentes cuyas vibraciones no se producen en una determinada superficie, el denominado plano de polarización. Formas de Obtención: 1. Por Reflexión: El ángulo de incidencia al cual la luz reflejada es completamente polarizada es llamado ángulo polarizante: tan i = n (donde n = Indice de refracción del vidrio) debido a la perdida de la intensidad de la luz por los fenómenos de absorción y transmisión. 1.1.
Se obtiene luz muy débil
1.2.
Cuerpos transparentes: reflejan poco y transmiten mucho
1.3.
Es poco usada esta forma de obtener luz polarizada
2. Por Refracción: Cuando se hace incidir un haz de radiación monocromática no polarizada sobre líquidos y gases ópticamente anisotrópicos, al igual que sobre sólidos que cristalizan en forma cubica y sólidos no cristalinos, ocurre una doble refracción de dicho haz donde el haz de radiación es dividido en dos rayos
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Análisis de Productos Agrícolas I polarizados es decir descomponen un rayo monocromático (no polarizada) en dos rayos polarizados 2.1.
El rayo ordinario (O) se desplaza con igual velocidad en todas las direcciones y
2.2.
El extraordinario (E) su desplazamiento es efectuado con mayor velocidad en algunas direcciones que en otras.
La velocidad del rayo ordinario es igual a la del rayo extraordinario en la dirección del eje óptico en los cristales anisotrópicos, algunos cristales anisotrópicos pueden exhibir 2 ejes ópticos. El índice de refracción del rayo ordinario n (O) es en muchos casos mayor que el n (E)
III.
Actividad óptica:
Medida de la capacidad de ciertas sustancias de hacer girar la luz polarizada plana. En el polarímetro se trabaja con sustancias ópticamente activas que se clasifican en:
Dextrogiras:
Desvían la luz hacia la derecha
Levogiras: izquierda
Desvían la luz polarizada hacia la
+ -
Los azucares son compuestos ópticamente activos, algunos como la fructosa (ver tabla 1) son levorrotatorios (giran la luz hacia la izquierda) y otros son dextrorotatorios (glucosa, sacarosa) cada azúcar tiene una rotación específica característica. TABLA 1: ROTACIÓN ESPECÍFICA DE ALGUNOS AZUCARES.
tD20C
Azúcar Glucosa Fructosa Azúcar Invertido Sacarosa Lactosa
IV.
52.5 -92.5 -20 66.5 52.5
Variables que afectan la rotación óptica:
La rotación de radiación polarizada plana puede variar desde varios cientos de grados hasta unas pocas centésimas de grado, las variables experimentales que pueden influir son:
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Análisis de Productos Agrícolas I 1. El número de moléculas en la banda de radiación (concentración de la disolución a medir) 2. La naturaleza del solvente usado (generalmente se emplea agua) 3. La temperatura: es casi lineal 4. El espesor de la capa atravesada 5. La longitud de onda de la radiación (luz polarizada): en la medida que disminuye la longitud de onda aumenta la rotación óptica 6. Longitud de la trayectoria óptica: Inversamente proporcional La relación entre la capacidad rotatoria óptica y la estructura molecular es muy complicada. La capacidad rotatoria de una molécula ópticamente activa es constante para unas condiciones determinadas y se utiliza por ello en su caracterización. Además la capacidad rotatoria sirve para determinar la concentración, cuando existe proporcionalidad con respecto a la concentración de la sustancia en disolución y si la medida se realiza a espesor de capa constante. En Polarimetria se mide la rotación específica, que es una característica de las sustancias ópticamente activas:
t
c *l
t =
Rotación específica
=
Angulo de rotación
c=
Concentración en gramos/ml
l=
Longitud del tubo en decímetros
La rotación específica se define como la rotación angular en grados causada por la longitud de 1 dm de una solución cuando la concentración es de: 1 gramo/ml. Se encuentra también el término de rotación molecular que se define como:
M M 100 Donde:
M
= Rotación Molecular
M
=Peso Molecular
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Análisis de Productos Agrícolas I
V.
Aplicación:
1. Cualitativo: 1.1.
La rotación óptica de un compuesto puro es una constante física útil para fines de identificación junto con la medida de otras propiedades físicas. La rotación óptica para diferentes azucares está tubulado tomando t=20° y Longitud de onda de 589nm
1.2.
Para identificar ciertos líquidos o soluciones como aminoácidos, esteroides, alcaloides y carbohidratos
2. Cuantitativo:
VI.
2.1.
Para medir la concentración de compuestos que son ópticamente activos por ej.: carbohidratos como sacarosa, azúcar invertido y glucosa o almidón (medición cuantitativa de hidratos de carbono) o medir el grado de conversión de ellos en procesos químicos o enzimáticos.
2.2.
Análisis del azúcar de la remolacha.
2.3.
Análisis de otros azucares comerciales como la dextrosa, la lactosa y la maltosa y productos que contienen estos azucares
2.4.
Se utiliza la rotación óptica para la valoración de sustancias que son ópticamente activas, entre ellas aceites volátiles, alcaloides y alcanfor, casi todos estos compuestos exigen el uso de luz monocromática, ya que la dispersión rotatoria de la mayoría de dichos materiales es diferente de la del cuarzo
2.5.
Se pueden realizar curvas que relacionan la rotación óptica con la concentración. Estas pueden ser lineales, parabólicas sin embargo el uso más extenso de la Polarimetria es en la industria de azúcar, para determinar la concentración de sacarosa. Si ella está sola en una solución la rotación óptica es directamente proporcional a la concentración. Si están presentes otros materiales ópticamente activos el procedimiento es más complejo, Se tiene que hacer una inversión del azúcar entonces la concentración será proporcional a la diferencia de la rotación óptica antes y después de la inversión.
Instrumento
El instrumento empleado es el polarímetro y sacarímetro cuyos componentes básicos son: una fuente de luz monocromática, un prisma polarizador para
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Análisis de Productos Agrícolas I producir radiación polarizada, un tubo de muestra, un prisma analizador con escala circular y un detector como se observa en la figura 2. FIGURA 2: ESQUEMA DE LOS COMPONENTES DE UN POLARIMETRO Escala circular Fijación de media sombra
Ventanas Polarizador Nicol
Prisma Lippich
Ocular
Tubo de muestra
Analizador nicol
Lampara
Componentes: 1. Fuente: Como la rotación óptica varía con la longitud de onda, se emplea la luz monocromática. Por lo general una lampara de vapor de sodio lampara de mercurio 2. Polarizador Analizador: Es la pieza central de un polarímetro llamado frecuentemente prisma de Nicol o de Glan-thompson, que trabajan con el principio de doble refracción y que sirven paras seleccionar el rayo polarizado linealmente (el rayo de luz Extraordinario) el polarizador mas alejado de la fuente de luz (por lo general la línea D del sodio) se denomina analizador Si se ajustan ambos prismas a una porción cruzada en ausencia de muestra se observa un mínimo de intensidad de luz, al colocar la muestra la rotación del haz causa un aumento de la intensidad de luz que es contrarrestada por rotación del prisma analizador. Este cambio angular requerido para reducir al mínimo la intensidad corresponde a la potencia rotatora de la muestra. La posición de intensidad mínima no puede determinarse con seguridad por el ojo por lo que se dispone de dispositivos de media sombra, un pequeño prisma de nicol llamado prisma Lippich. Este dispositivo intercepta la mitad del haz que sale del polarizador, entonces si se ajusta a 90° el prisma polarizador con respecto al analizador, se observa un campo claramente dividido, en una porción oscura y otra iluminada. La porción iluminada corresponde a la mitad del haz que ha sido girado por el prisma auxiliar y la porción oscura corresponde al haz no obstruido. (Por motivos prácticos, los aparatos más utilizados trabajan de modo visual, llamados polarímetros de semisombra en ellos el campo visual aparece partido en dos mitades diferenciadas que durante la medida se comparan para ver si son igual de oscuras. Este método tiene como ventaja que el ojo humano compara mejor dos superficies claras que la
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Análisis de Productos Agrícolas I máxima oscuridad o luminosidad esto se consigue con un prisma Nicol auxiliar denominado polarizador auxiliar). Si se ajusta la escala a cero moviendo el analizador se iguala la intensidad de luz en las dos mitades, al colocar la muestra se gira el analizador hasta que se obtiene el mismo equilibrio y se lee el ángulo de rotación directamente en la escala circular del analizador 3. Tubos de muestra: Tubos cilíndricos de 10 a 20 cm construidos de vidrio 4. Sacarímetro: Sacarosa y azucares comerciales. Este instrumento es más comúnmente utilizado en análisis de azúcar que el polarímetro. Las diferencias entre un polarímetro y un sacarímetro, es que el polarímetro emplea luz monocromática y da lecturas del ángulo de rotación, mientras que el sacarímetro emplea luz blanca y una cuña de cuarzo compensadora además da lecturas del porcentaje de azúcar directamente.
VII.
Mutarrotación:
Consiste en la aparición en disoluciones recién preparadas, por ejemplo azucares de una modificación continua de su rotación óptica, la cual permanecerá constante una vez que haya alcanzado un determinado valor final este proceso va a depender de la concentración y la velocidad final para alcanzar este valor depende de la temperatura y del pH. 0237:1994 /67.180.10 CT 10 Azúcar. Determinación de la polarización A 1030:1995 /67.160.20 CT 10 Jugos y néctares. Características generales B 1031:1981 /67.160.20 CT 10 Frutas y productos derivados. Néctares de frutas. Consideraciones generales C
2191:1984 /67.180.10 CT 10 Miel de abejas B
VIII. Bibliografia Ayres, G. (1970) Análisis Químico Cualitativo. EDICIONES DEL CASTILLO, S.A. Madrid – España. Maier, Hans G. (1981) Métodos modernos de análisis de alimentos Tomo I. EDITORIAL Acribia. Zaragoza Lees, R. (1971) Food Analysis Analitical and quality control methods for the food manufacture and buyer Matissek et al (1992) Análisis de alimentos: Fundamentos, Métodos, Aplicaciones. Editorial ACRIBIA. Zaragoza España. 13
Análisis de Productos Agrícolas I Maynard A., J. (1970) Methods in Food Analysis Second Edition Pomeranz and Meloan (1971) Food Analysis: Teory and practice Skoog, D. et al (1987) Análisis Instrumental. Segunda Edición Editorial INTERAMERICANA, S.A. México
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