Лабораторная работа № 25а.

«Измерение концентрации сахара в водном растворе»

1.Краткая теория

В природе существуют вещества, как твердые (кварцы, киноварь), так и жидкие (скипидар, никотин, растворы сахара, винной кислоты), обладающие удивительной способностью - вращать (поворачивать) плоскость поляризации, т.е. плоскость колебаний вектора Е проходящего через них плоскополяризованного света. Такие вещества называют о п т и ч е с к и а к т и в н ы м и в е щ е с т в а м и.

Известно, что интенсивность естественного света, прошедшего через два с к р е щ е н н ы х поляризатора, равна нулю, т.е. поле зрения на выходе из второго поляризатора полностью затемнено. Если между такими скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрение просветляется. Чтобы снова получить затемнение поля зрения, нужно повернуть один из поляризаторов на угол, равный по величине углу поворота плоскости поляризации этим веществом, но противоположный ему по знаку

Явление вращения плоскости поляризации объясняется особенностями структуры вещества. В органических веществах, в состав которых входит углерод, вращение плоскости поляризации объясняется наличием атома углерода, ассимметрично соединенного с четырьмя различными атомами. Для одного и того же набора атомов могут существовать два зеркально-симметричных типа расположения, что вызывает для одного и того же химического вещества различные направления вращения плоскости поляризации - правое и левое (рис.1).

Направление вращения плоскости поляризации принято устанавливать так: если наблюдатель смотрит навстречу световому потоку, а плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке, то вещество называется п р а в о в р а щ а ю щ и м (положительным), в противном случае - л е в о в р а щ а ю щ и м ( отрицательным ).

Эффект вращения зависит не только от структуры самих молекул, но и от их взаимного расположения. Например, неактивное оптическое вещество (например, кусок желатины) при закручивании приобретает оптическую активность вдоль оси вращения. Плоскость колебания вращается в направлении, обратном закручиванию. Все вещества, активные в аморфном состоянии, активны и в виде кристаллов.

Однако, ряд веществ, неактивных в аморфном состоянии, вращают плоскость поляризации в кристаллическом состоянии. Например, кварц вращает плоскость поляризации только в кристаллическом состоянии и перестает вращать, если его расплавить (т.е. превратить в аморфное состояние).

Таким образом, оптическая активность зависит как от строения молекул, так и от расположения молекул в кристаллической решетке. При прохождении поляризованного света через оптически активные вещества выполняются следующие закономерности:

1.Угол вращения (угол поворота плоскости поляризации) пропорционален длине пути d луча в слое оптически активного вещества: j = j₀d, где j₀ - постоянная вращения, численно равная углу поворота плоскости поляризации при прохождении светом единицы длины пути в оптически активном веществе.

2. Если свет проходит сквозь несколько активных веществ, то угол вращения равен алгебраической сумме углов вращения всех активных веществ.

3.Угол вращения зависит от длины световой волны: он приблизительно обратно пропорционален l², где l - длина волны падающего света.

4. В оптически активных р а с т в о р а х угол поворота плоскости поляризации j прямо пропорционален длине пути d луча в растворе и концентрации c оптически активного вещества в растворе:

j = j0 d ×c,

(1)

где j₀ - удельная постоянная вращения, равная углу поворота плоскости поляризации поляризованного света при прохождении им единицы пути в растворе с единичной концентрацией. Таким образом, при известных j₀ и d по углу вращения j плоскости поляризации можно определить концентрацию сахара в растворе. Постоянная j₀ характеризует природу вещества, является функцией длины волны и температуры. Например, для большинства веществ j₀ уменьшается на 1/1000 при повышении температуры на один градус.

Цель работы: ознакомление с методикой измерения концентрации оптически активных веществ в растворах.