Ćwiczenie nr 4: Wyznaczanie krzywej wzorcowej dla ilościowego oznaczenia stężenia substancji optycznie czynnych. Wyznaczenie skręcalności właściwej związków optycznie czynnych.

Patryk Zmaczyński, para 2, dn. 12.11.2007

Czynność optyczna to własność niektórych związków chemicznych polegająca na zdolności skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Warunkiem koniecznym występowania czynności optycznej cząsteczek jest ich chiralność cząsteczek czyli istnienie w formie dwóch nienakładalnych enancjomerów. Nie wszystkie cząsteczki chiralne wykazują jednak czynność optyczną. Aby ją wykazywać w zauważalnym stopniu chiralne cząsteczki muszą posiadać silnie spolaryzowane wiązania chemiczne blisko centrum chiralności lub posiadać przy tym centrum znacząco różne podstawniki.

Skręcalność optyczna jest funkcją długości fali światła. Znane są cząsteczki które dla jednej długości fali skręcają światło w lewo a dla innej w prawo a jeszcze innej długości w ogóle nie skręcają. Określona czynność optyczna nie przekłada się więc bezpośrednio na określoną konfigurację przestrzenną cząsteczek. Z budowy przestrzennej cząsteczki nie da się z całkowitą pewnością bezpośrednio wywnioskować, w którą stronę będzie ona skręcać światło.

Do pomiaru skręcenia płaszczyzny polaryzacji stosuje się polarymetry, których podstawowymi częściami są: źródło światła, soczewka spełniająca rolę kondensora, filtr barwny (dla wytworzenia wiązki światła o określonej długości - w przybliżeniu monochromatycznej), dwa filtry polaryzacyjne (tzw. polaryzator i analizator), rurka, w której umieszcza się substancję aktywną optycznie oraz lunetka zapewniająca ostrość widzenia. Niezbędnym elementem przyrządu jest koło podziałkowe (skala) wraz z noniuszem umożliwiające odczytanie kąta skręcenia analizatora.

Skręcalność właściwa - wartość charakteryzująca substancję aktywną optycznie, poprzez wartość kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego przez roztwór tej substancji.Otrzymuje się na podstawie wzoru:

[α]= α•100% / (c•l)

gdzie α - wartość skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego; c - stężenie roztworu (wyrażone w %), l - długość drogi optycznej przez roztwór (wyrażona w dm).Skręcalność właściwa zależy istotnie od użytego rozpuszczalnika , temperatury i długości fali, w pewnym stopniu także od stężenia. Dla niektórych substancji rozpuszczalnik może wpływać nie tylko na wielkość, ale i na znak skręcalności.

Literatura:

1. Ceynowa J., Litowska M., Nowakowski R., Ostrowska-Czubenko J. „Podręcznik do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii fizycznej”, UMK, Toruń 1999, str. 227-235;

2. Przestalski S. „Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki”, UW, Wrocław 2001, str. 201-206;

Celem ćwiczenia nr 4 było wyznaczenie krzywej wzorcowej dla znanego stężenia roztworu glukozy, która jest substancją czynną optycznie. Krzywa wzorcowa posłuży nam do odczytania stężenia mieszaniny dwóch roztworów, dzięki znajomości kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Integralną częścią doświadczenia jest także wyznaczenie eksperymentalnej wartości skręcalności właściwej D-glukozy (związku optycznie czynnego).

Wzory glukozy:

1. sumaryczny - C₆H₁₂O₆

2. strukturalny

Przebieg ćwiczenia:

1. Przed przystąpieniem do pracy nad roztworami, włączyłem polarymetr z lampą sodową i ustawiłem punkt zerowy.

2. Przygotowałem 5 probówek z roztworami glukozy o znanej zawartości czystej glukozy. W tym celu do probówek wsypywałem odważone masy glukozy, dolewałem niewielką ilość wody destylowanej, rozpuszczałem, a następnie uzupełniałem do objętości 50 ml.

3. Na polarymetrze wykonałem pomiary kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji, napełniając rurkę polarymetru całkowicie (bez pęcherzy powietrza) każdym z roztworów i mierząc wartości kątów dla każdego z osobna.

4. Po wykonaniu 5 pomiarów, zmieszałem ze sobą roztwory z probówek 3 i 4, otrzymując roztwór glukozy o nieznanym stężeniu i dla niego także zmierzyłem wartość kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji.

Wyniki pomiarów:

Nr probówki	Masa glukozy [g]	Stężenie roztworu [g/100 cm3]	Kąt α [˚]
1	1,98	3,96	6,2
2	2,93	5,86	9,1
3	3,28	6,56	9,8
4	4,98	9,96	14,9
5	6,13	12,26	18
6**	x	Y	10,8

Na podstawie zależności α = a * c, po przekształceniu wzoru i otrzymaniu następującej postaci a = α/c obliczyłem współczynnik kierunkowy prostej:

a₁ = 6,2 / 3,96 = 1,565657

a₂ = 9,1 / 5,86 = 1,552901

a₃ = 9,8 / 6,56 = 1,493902

a₄ = 14,9 / 9,96 = 1,495984

a₅ = 18 / 12,26 = 1,468189

a_śr= 1,515327

S_a= 0,041833

Dzięki obliczeniu współczynnika kierunkowego mogłem obliczyć doświadczalną wartość skręcalności właściwej D-glukozy z wzoru α = a/K * l , gdzie K = 0,01 oraz l = 2 [dm]:

α ₁ = 1,565657 / 0,02 = 78,28283˚

α ₂ = 1,552901 / 0,02 = 77,64505˚

α ₃ = 1,493902 / 0,02 = 74,69512˚

α ₄ = 1,495984 / 0,02 = 74,7992˚

α ₅ = 1,468189 / 0,02 = 73,40946˚

α _śr = 75,76633 ≈ 75,8˚

Wartość literaturowa skręcalności właściwej dla D-glukozy wynosi α = (+) 52,7˚

Błąd bezwzględny = 75,8˚ - 52,7˚ = 23,1˚

Błąd względny = 23,1˚ / 52,7˚ = 43,83%

Współczynnik korelacji dla zależności wartości kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji od stężenia roztworu D-glukozy (obliczony w arkuszu kalkulacyjnym Excel) wyniósł

r = 0,999655, natomiast współczynnik determinacji r² = 0,999309.

Odchylenie standardowe dla skręcalności właściwej, obliczone z wzoru s _α = S_a / K * l, gdzie K = 0,01 oraz l = 2 [dm] dało wynik s _α = 2,091651 ≈ 2,1.

Oto całość wyników zestawiona w tabeli:

Wielkość	Wartość	Odchylenie standardowe
Współczynnik korelacji	0,999655
Współczynnik determinacji	0,999309
Nachylenie prostej	1,52	0,041833
Skręcalność właściwa	75,8˚	2,1
Błąd bezwzględny skręcalności	23,1˚
Błąd względny skręcalności	43,83%
Stężenie roztworu badanego	~ 7,2˚

Wnioski:

Po obliczeniu wszystkich niezbędnych danych okazało się, że doświadczalna wartość skręcalności właściwej dla D-glukozy jest zdecydowanie wyższa od wartości literaturowej (podawanej dla temperatury 20˚C), jednakże na taki wynik wpływ na pewno miała temperatura panująca w pracowni (doświadczenie wykonywano w sezonie grzewczym, co sugeruje temperaturę wyższą od 20˚C). Wpływ mógł mieć także niedokładny odczyt wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na polarymetrze, jednakże różnica między wartościami jest bardzo wysoka. Po narysowaniu wykresu zależności kąta skręcania płaszczyzny od stężenia roztworu D-glukozy praktycznie bezproblemowo odczytano stężenie mieszaniny roztworów nr 3 i nr 4, które faktycznie mieści się w przedziale wartości granicznych, które stanowią w tym przypadku wartości kątów skręcania dla właśnie tych roztworów.

---