POLARYMETRYCZNE OZNACZANIE STĘŻENIA SACHAROZY W ROZTWORZE WODNYM.

Polarymetria to najpopularniejsza metoda badania chiralnych związków organicznych, polegająca na pomiarze kąta skręcania światła spolaryzowanego liniowo. Światło spolaryzowane otrzymujemy gdy drgania wektora świetlnego są w pewien sposób uporządkowane. Wyróżniamy:

• światło spolaryzowane liniowo,

• światło spolaryzowane kołowo,

• światło spolaryzowane eliptycznie.

Skręcalność właściwa jest to kąt o jaki płaszczyzna polaryzacji ulegnie skręceniu w świetle linii D sodu, jeżeli światło przejdzie przez warstwę substancji. Wyraża się wzorem ${\lbrack\alpha\rbrack}_{\lambda}^{T} = \frac{\alpha}{\text{lγ}}$, a dla roztworów ${\lbrack\alpha\rbrack}_{\lambda}^{T} = \frac{100\alpha}{\text{lc}}$. Wielkość ta jest charakterystyczna dla danej temperatury, długości fali świetlnej oraz rozpuszczalnika. Zmiana wartości skręcalności właściwej może wynikać z solwatacji, asocjacji, dysocjacji związku.

Aparatem służącym do pomiaru kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji jest polarymetr.

Zasada działania polarymetru: promienie świetlne wychodzące ze źródła światła przechodzą przez soczewkę po czym przenikają jako wiązka równoległa przez filtr żółty (najczęściej) i polaryzator. Następnie na swojej drodze wiązka spolaryzowanego światła spotyka płytkę szklaną, która zasłania środek pola widzenia. Badana substancja optycznie czynna umieszczona w rurce polarymetrycznej skręca płaszczyznę polaryzacji światła. Filtr szklany – analizator (polaryzator o określonej, znanej płaszczyźnie polaryzacji; umożliwia on wykrywanie polaryzacji światła i wyznaczanie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego. Dalej światło dostaje się do obiektywu. Odczytanie kąta skręcenia umożliwia połączona z nim tarcza analizatora z noniuszem.

Substancje optycznie czynne mają możliwość skręcania płaszczyzny w prawo lub w lewo. Te związki, które powodują skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego zgodnie z ruchem wskazówek zegara nazywamy prawoskrętnymi i oznaczamy znakiem (+), a w przeciwną stronę – lewoskrętnymi (-).

1. Tok postępowania

• Odważamy 20g sacharozy. Substrat przenosimy ilościowo do kolby miarowej o pojemności 200cm³. Dolewamy ok. 100cm³ wody destylowanej w celu rozpuszczenia cukru. Następnie uzupełniamy kolbę wodą destylowaną do kreski.

• Z otrzymanego roztworu przygotowujemy roztwory o stężeniach 2, 4, 6, 8 g/100cm³ w kolbach miarowych o pojemności 50cm³.

• Włączamy lampę sodową i przystępujemy do kalibracji polarymetru. W tym celu do rurki polarymetrycznej wlewamy wodę destylowaną.

• Po nagrzaniu lampy sodowej odczytujemy pięciokrotnie (przez obrót analizatora powodujemy zaciemnienie środkowej lub zewnętrznych części pola, po czym ustawiamy pole tak, aby było równomiernie oświetlone) kąt skręcania światła spolaryzowanego dla wody, który wyniósł 0°.

• Kolejnym krokiem jest pięciokrotne wykonanie pomiarów kąta skręcania dla roztworów o znanym stężeniu. Otrzymane wyniki przedstawione zostały w tabeli.

• Po otrzymaniu roztworu o nieznanym stężeniu przystępujemy do wyznaczenia jego kąta skręcenia.

1. Wyniki pomiarów

Numer roztworu	Stężenie [g/100cm^3]	αi [°]	αi,  sr [°]
1	2	2,50	2,60
2	4	4,95	5,00
3	6	7,60	7,50
4	8	10,00	10,05
5	x	6,50	6,50

1. Na podstawie otrzymanych wyników wykreślamy krzywą wzorcową

2. Z krzywej wzorcowej wyznaczamy stężenie sacharozy badanego (piątego) roztworu.

Za pomocą arkusza kalkulacyjnego wyznaczamy linię trendu dla danej krzywej. Następnie obliczamy nieznaną wartość stężenia piątego roztworu:

y = 1, 2495 • x + 0, 025

$$x = \frac{y - 0,025}{1,2495}$$

$$x = \frac{6,52 - 0,025}{1,2495} = 5,19$$

1. Obliczamy skręcalność właściwą korzystając ze wzoru

$${\lbrack\alpha\rbrack}_{D} = \frac{100 \bullet (\alpha \pm poprawka)}{l \bullet c}$$

l − dlugosc rurki polarymetrycznej [dm]

$c - stezenie\ cukru\ \lbrack\frac{g}{100cm^{3}}\rbrack$

α − kat skrecania []

Poprawkę wyznaczamy podczas kalibracji polarymetru, która polega na zmierzeniu kąta skręcania wody destylowanej. W naszym przypadku pięciokrotny pomiar kąta skręcania wyniósł 0. Wobec tego poprawki nie uwzględniamy w naszych obliczeniach.

l = 190, 1 mm = 1, 901dm

Dla 1-go roztworu: ${\lbrack\alpha\rbrack}_{D} = \frac{100 \bullet 2,56}{1,901 \bullet 2} = 67,33$

Dla 2-go roztworu:$\ {\lbrack\alpha\rbrack}_{D} = \frac{100 \bullet 4,97}{1,901 \bullet 4} = 65,36$

Dla 3-go roztworu: ${\lbrack\alpha\rbrack}_{D} = \frac{100 \bullet 7,52}{1,901 \bullet 6} = 65,93$

Dla 4-go roztworu: ${\lbrack\alpha\rbrack}_{D} = \frac{100 \bullet 10,04}{1,901 \bullet 8} = 66,02$

Dla 5-go roztworu: ${\lbrack\alpha\rbrack}_{D} = \frac{100 \bullet 6,52}{1,901 \bullet 5,19} = 66,08$

Wynik średni: [α]_D = 66, 14

Stężenie sacharozy możemy obliczyć także korzystając ze wzoru na skręcalność właściwą. Po uśrednieniu czterech pierwszych wyników skręcalności właściwej otrzymujemy wartość 66,16. Po przekształceniu wzoru, obliczamy stężenie sacharozy w badanym roztworze:

$$c = \frac{100 \bullet \alpha}{l \bullet {\lbrack\alpha\rbrack}_{D}} = \frac{100 \bullet 6,52}{1,901 \bullet 66,16} = 5,18\ \lbrack\frac{g}{100\text{cm}^{3}}\rbrack$$

1. Wnioski

Celem przeprowadzonego doświadczenia było wyznaczenie stężenia sacharozy w roztworze wodnym na podstawie pomiarów kąta skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego, metodą krzywej wzorcowej oraz z wykorzystaniem wzoru na skręcalność właściwą.

Stężenie sacharozy obliczone na podstawie krzywej wzorcowej wyniosło 5,19 [g/100cm­³], natomiast przy użyciu wzoru na skręcalność właściwą otrzymany wynik to 5,18 [g/100cm³].

Wyznaczona przez nas w ćwiczeniu wartość skręcalności właściwej dla sacharozy wynosi +66,14. Natomiast wartość literaturowa to +66,5.

Wartość skręcalności właściwej zależy od rodzaju rozpuszczalnika, długości fali światła i temperatury, która różniła się w przypadku wykonywanego przez nas doświadczenia. Wartości literaturowe zostały wyznaczone w warunkach T=20°C, natomiast temperatura panująca w laboratorium podczas wykonywanych przez nas pomiarów wynosiła 24°C, co mogło spowodować różnice w wyznaczanej skręcalności właściwej.