Оптично активні речовини

При проходженні плоскополяризованого світла крізь деякі речовини виявляється, що площина, в якій коливається вектор (площина поляризації) поступово повертається на деякій кут навколо напрямку променя (рис. 6.14).

Рис. 6.14

Такі речовини отримали назву оптично активних. До них відносяться деякі тверді речовини (наприклад кварц), а також рідини (наприклад скипидар, розчин цукру).

Напрямок обертання площини поляризації прийнято визначати для спостерігача, який дивиться назустріч світловому променю. Якщо площина поляризації обертається за годинниковою стрілкою, то речовину називають правообертаючою, в протилежному випадку - лівообертаючою.

Оптична активність обумовлена асиметрією молекул (для твердих тіл). Внаслідок досить складної взаємодії поляризованого світла і оптично активної речовини відбувається обертання векторів на деякий кут .

В оптично активних кристалах кут обертання пропорційний шляху , який проходить промінь у кристалі: . В розчинах кут пропорційний також шляху і концентрації речовини:

.

Коефіцієнт пропорційності називають питомою постійною обертання, або просто питомим обертанням.

Питоме обертання залежить від природи речовини, температури і зворотньо пропорційне довжині світла.

Оскільки кут обертання площини поляризації пропорційний концентрації С, то можна визначити концентрацію, якщо виміряти кут .

Оптична активність використовується також при визначенні просторової структури великих молекул (наприклад білків) або її зміни в різних умовах.

Скло і пластмаса набувають оптичну активність у деформованому стані. Обертання площини поляризації максимальне у місцях з найбільшою напруженістю. Моделі кісток, або деталей машин, які вироблені з прозорих матеріалів, можна використовувати для візуального спостереження точок найбільшої напруженості.

Для дослідження явищ, пов’язаних з поляризацією розроблені спеціальні прилади, які називаються поляриметрами.

Поляриметри, які призначені для визначення концентрації цукру у розчинах називають сахариметрами.

Завдання роботи

1. Вивчити будову і оптичну схему сахариметра СУ-4. 2. Визначити питоме обертання. 3. Навчитись вимірювати концентрацію оптично-активних розчинів.

Виконання роботи

Прилади і матеріали: сахариметр, розчин з цукром, дистильована вода, фільтрувальний папір, серветки.

Теорія методу і опис установки

Для визначення концентрації цукру в розчинах використовується технічний прилад - сахариметр універсальний СУ-4. Зовнішній вигляд показано на рис. 6.15.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 6.15.

Сахариметр складається з вимірювальної головки 2, освітлювального вузла 9, які з'єднані між собою траверсою 6. Траверса кріпиться за допомогою стойки 17 до основи 18. На траверсі закріплено кюветне відділення 5 для поляриметричних кювет (зовнішній вигляд кювет показаний на рис.6.16), оправа 7 з поляризатором і напівтіньовою пластиною. З лицьового боку вимірювальної головки розташовані лупа 1 для відліку показів і зорова труба 20. В нижній частині вимірювальної головки розташована рукоятка 19 клинового компенсатора, за допомогою якої переміщують рухомий кварцовий клин і з’єднану з ним шкалу. Оптична схема приладу зображена на рис. 6.17.

Рис.6.16

Рис.6.17

Світло від джерела 16 (лампи розжарювання) крізь матове скло 1, світлофільтр 2 і конденсорну систему 3 поступає на вхід поляризатора 4 (призма Ніколя) у вигляді паралельного пучка.

Поляризатор виконаний таким чином, що на його виході світло розділяється на два плоскополяризованих променя (рис. 6.18) лівий (світловий вектор ) і правий (світловий вектор ). Площини поляризації променів і утворюють між собою малий кут порядку 6°-7°.

Після поляризатора (див. рис.6.17) світло проходить крізь кювету з досліджуваним розчином цукру 5, потім через діафрагму 6, клиновидний кварцовий компенсатор 7, аналізатор (також призма Ніколя) 8, систему лінз 9, які складають зорову трубу і вихідну діафрагму 10, через яку ведеться візуальне спостереження.

Для вимірювання кута обертання площини поляризації використовується оптична схема (верхня частина рис. 6.17.), яка складається з обертальної призми 11, шкали 12, ноніуса 13, лупи 14 і вихідної діафрагми 15. При спостереженні через діафрагму 10 видно два поля порівняння, які розділені чіткою межею (на рис. 6.17. таку картину бачить нижній спостерігач).

Фізичну сутність явищ що спостерігаються можна з'ясувати за допомогою рис.6.18 і 6.19. Вихідний (нульовий) стан приладу відповідає однаковій освітленості полів зору (рис. 6.18.). Такий стан відповідає початковій настройці пристрою, коли кювета з досліджуваним розчином відсутня. Аналізатор пропускає світлові потоки, які пропорційні проекціям векторів і , на дозволений напрям аналізатора (напрям вісі X).

Очевидно, що і тому ліва і права половини полів зору в зоровій трубі відрізнятись не будуть (рис.6.18).

Рис.6.18

Якщо встановити кювету з розчином цукру, то площини поляризації і повернуться на деякій кут (рис. 6.19.). Це обумовлено оптичною активністю розчину з цукром. Фотометрична рівність порушиться і одне поле зору виявляється яскравішим другого. Наприклад, як показано на рис. 6.18, проекція світлового вектора на вісь X більша ніж проекція вектора на цей же напрямок, тобто . Інтенсивність світла лівого променя буде більшою ніж інтенсивність правого променя. Тому ліва половина поля порівняння виявляється яскравішою ніж права.

Рис.6.19

Рівність освітленості можна відновити за допомогою кварцевого компенсатора. Кварц є оптично активною речовиною. Тому, після проходження поляризованого світла крізь пластинку кварцу, площина поляризації світла повертається на деякий кут в оберненому напрямку.

Кварцевий компенсатор кінематично пов'язаний з вимірювальною шкалою. Тому, після того як буде установлена фотометрична рівність, проводиться відлік кута по шкальному пристрою.

В сахариметрі використовується міжнародна цукрова шкала, 100⁰S цієї шкали відповідає 34,62° кутовим.

Кут обертання площини поляризації прямо пропорційний товщині шару розчину цукру і його концентрації :

,

де - питоме обертання.

З цього співвідношення можна одержати розрахункову формулу для визначення концентрації цукру в розчині:

В цій формулі:

- відома величина, оскільки у сахариметрі використовуються стандартні кювети, які зображені на рис.6.16 (в лабораторній роботі мм або мм в залежності від того, яку задасть викладач );

- кут обертання площини поляризації, значення якого визначається за шкалою приладу.

Питоме обертання можна визначити дослідним шляхом, який буде розглядатися нижче.

Нехай, наприклад, ми маємо розчин цукру концентрація якого нам відома. Визначимо за допомогою сахариметра кут обертання площини поляризації світла, яке проходить через цей розчин. Для цього заповнюємо кювету розчином відомої концентрації, робимо виміри і одержуємо числове значення . За результатами вимірів знаходимо питоме обертання:

.

Отримане значення величини використовується для визначення невідомої концентрації розчинів цукру :

,

де - кут обертання площини поляризації розчином невідомої концентрації.