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Polarisation de la lumière

La lumière est une onde électromagnétique. Elle est composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique perpendiculaire entre eux ainsi qu’a la trajectoire du rayon de lumière. Ces champs sont des ondes vectorielles oscillants au long du rayon.

PolarisationOnde lumineuse avec champ magnétique B et champ électrique E à angle droit l'un de l'autre

 

La polarisation est une propriété des ondes vectorielles décrivant l'orientation de leurs oscillations.

Ces oscillations font qu’a chaque instant, si on regarde ces champs le long du rayon, ils semblent se situer à une position différente. Si l’on projette ces vecteurs oscillants sur un plan perpendiculaire au rayon, ils décrivent une figure qui peut être un segment de droit, une ellipse ou un cercle.

Mais la lumière est composée d’une infinité de rayons. Chacun se comporte à sa manière, sans rapport avec le comportement des autres rayons. On dit que la lumière est incohérente. Chaque rayon est donc polarisé, mais dans son ensemble, la lumière ne l’est pas.

Polarisation par réflexion

Certains effets physiques vont changer cet état. Par exemple, sa réflexion sur des matériaux vitreux n’est pas la même en fonction de la polarisation de chaque rayon. On peut dire que seule la partie des rayons parallèles au plan de réflexion est reflété. C’est par exemple ce que l’on observe lorsque l’on regarde son reflet dans une vitre transparente.

Polarisation par un polariseur

Une autre méthode de polarisation consiste à placer un polariseur sur le chemin du rayon. Il s’agit en général d’un « polaroïde », c'est-à-dire d’un polymère filtrant les composantes du champ électrique selon la direction perpendiculaire aux " lignes de polymères ". Au sortir du polariseur, l’ensemble des champs électriques oscilleront donc dans le même plan. Il en va de même des champs magnétiques puis qu’ils leurs sont perpendiculaires. Il y a donc eu une polarisation linéaire de la lumière.

Substance optiquement actives

Enfin, un certains nombre de substances ont la capacité de faire tourner le plan de polarisation de la lumière. Lorsqu’elles font tourner ce plan de polarisation dans le sens des aiguilles d’une montre, elles sont dites (+) et dextrogyre, alors que si elles le font dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, elles sont dites (−) ou lévogyre. En chimie, il a été démontré que de telles molécules sont chirales (critère de Pasteur), c'est-à-dire qu’il en existe deux formes non superposables mais images l’une de l’autre dans un miroir.

Déviation du plan de polarisation

Plutôt que d’utiliser directement la polarisation de la lumière, la chimie analytique utilise la déviation du plan de polarisation d’une lumière polarisée lorsqu’elle traverse une substance optiquement active. On parle alors de polarimétrie.

Loi de Biot

En effet, si l’on fait traverser une solution d’une substance optiquement active par une lumière préalablement polarisée, on va pouvoir observer de quel angle le plan de polarisation tourne.

La loi de Biot nous indique que, pour une température et une longueur d'onde donnée, α l'angle de rotation observé est proportionnel à l la longueur de solution traversée, C sa concentration et à αT, une constante, appelée pouvoir rotatoire de la substance, propre à chaque substance chirale. La loi de Biot est donc :

α=αT.l.C

Avec : α en ° ; αT en °.mL.g-1.dm-1, l en dm et C en g.mL-1

Utilisation en chimie

L’angle de rotation observé étant une fonction de la concentration et du pouvoir rotatoire spécifique de la substance, la polarimétrie à trois utilisations en chimie.

La première consiste à mesurer le pouvoir rotatoire spécifique d’une substance pour en vérifier l’identité.

La deuxième est de mesurer l’angle de rotation pour une solution d’une substance connue, mais de concentration inconnue. On accède ainsi directement à sa concentration.

Enfin, on peut mesurer l’évolution du pouvoir rotatoire d’une solution durant une réaction pour en suivre évolution. C’est par exemple ce que l’on fait lors de la préparation du sucre inverti. Le sucre inverti est un mélange équimolaire de glucose et de fructose obtenu par hydrolyse acide ou enzymatique (par l’invertase) du saccharose. Le nom de « sucre inverti » vient de l'inversion du plan de polarisation observé durant la réaction. En effet, le glucose à un pouvoir rotatoire de +52.7°.mL.g-1.dm-1 alors que celui du sucre inverti est de -25.5 °.mL.g-1.dm-1.

Polarimètre

Pour mesurer cette rotation, on utilise un polarimètre. En général, il s’agira d’un polarimètre de Laurent. Il s’agit d’un tube fermé au deux extrémité par deux polariseurs. Le second peut pivoter et est appelé analyseur. On place, en outre, une lame demi-onde ou quart d’onde sur le trajet de la lumière. Il s’agit d’une lame qui transforme une vibration lumineuse polarisée rectilignement en aune autre, symétrique de la première par rapport à sa ligne neutre. Enfin, le tube peut recevoir un second tube qui va contenir la solution à analyser. Ce second tube est généralement long de 1dm ce qui simplifie les calculs.

PolarimètrePrincipe du polarimètre de Laurent

Au final, on observe deux lumières d’intensités variables à la sortie du polarimètre. On mesure la rotation obtenue en égalisant les deux pénombres qui sont plus reconnaissable pour l’œil humain. On parle d’équipénombre.

D’un point de vue pratique, on allumer l'appareil puis on attend 5 min que la lampe soit chaude. Ensuite, on place un tube rempli de solvant pur pour réaliser un blanc et étalonner l'appareil. On obtient donc le zéro pour l'équipénombre. Enfin, on place le tube contenant la substance à mesurer et on réalise à nouveau l’équipénombre pour lire l'angle correspondant à la nouvelle polarisation.

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samedi, juin 24, 2017