Temat: Wyznaczanie stężenia roztworów substancji optycznie czynnych za pomocą polarymetru

Numer pary: 7

Numer ćwiczenia: 48

I. Opis teoretyczny

Rozchodzenie się światła w przestrzeni polega na transporcie energii za pośrednictwem zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Światło jest więc falą elektromagnetyczną. Falę elektromagnetyczną można opisać za pomocą wektora natężenia pola elektrycznego
i magnetycznego
. Wektory te są do siebie prostopadłe i jednocześnie prostopadłe do kierunku rozchodzenia się światła, czyli do promieni fali. Można wykazać, że w oddziaływaniu światła z substancji istotną rolę odgrywają zmiany pola elektrycznego w czasie, opisane wektorem elektrycznym
, który nazwano wektorem świetlnym.

Wektor świetlny jest prostopadły do promienia w każdym jego punkcie, jednak kierunek drgań tego wektora może być różny. Jeżeli wektor świetlny drga w różnych kierunkach prostopadłych do promienia, to takie światło nazywa się niespolaryzowanym. Typowe źródła światła, takie jak słońce, żarówki, świetlówki wysyłają światło niespolaryzowane.

Drgania wektora elektrycznego fali świetlnej można uporządkować zgodnie z jakąś przyjętą regułą - otrzymuje się wtedy światło spolaryzowane. W pomiarach laboratoryjnych posługujemy się często światłem spolaryzowanym liniowo i światłem spolaryzowanym kołowo. Światło spolaryzowane liniowo jest to takie światło, w którym drgania wektora świetlnego w każdym punkcie promienia zachodzą w jednym kierunku, czyli koniec wektora świetlnego kreśli odcinek linii prostej. Światło jest więc spolaryzowane w płaszczyźnie wyznaczonej przez kierunek drgań wektora świetlnego i promień świetlny.

W celu uzyskania światła spolaryzowanego liniowo często stosuje się tzw. Pryzmat Nicola, czyli nikol. Jest to układ pryzmatów, odpowiednio wyciętych ze szpatu islandzkiego, sklejonym balsamem kanadyjskim. Szpat islandzki wykazuje zjawisko dwójłomności, polegające na tym, że promień świetlny rozdziela się na dwa promienie. Jeżeli z kryształu szpatu odpowiednio wytnie się płytkę płasko-równoległą, to promień świetlny padający prostopadle na płytkę ulegnie rozdzieleniu na dwa równoległe promienie - promień zwyczajny podlegający prawom załamania światła oraz promień nadzwyczajny. Oba promienie są liniowo spolaryzowane, lecz w płaszczyznach do siebie prostopadłych. Aby wykorzystać tę właściwość szpatu islandzkiego do otrzymania światła liniowo spolaryzowanego w jednej płaszczyźnie, należy wykluczyć jeden z promieni. Efekt ten uzyskano w nikolu przez taki dobór kątów w pryzmatach, że promień zwyczajny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na warstwie balsamu, natomiast promień nadzwyczajny przechodzi przez nikol jako światło liniowo spolaryzowane w jednej płaszczyźnie. Płaszczyznę polaryzacji promienia wychodzącego nazywa się również płaszczyzną polaryzacji nikola.

Do polaryzacji światła używa się również polaroidów. Są to folie polimerowe, których cząstki są ustawione w sposób uporządkowany, a poszczególne cząstki są anizotropowe. Światło przechodzące przez takie folie jest polaryzowane.

Inny sposób polaryzacji światła, to wykorzystanie zjawiska odbicia i załamania. Podczas przejścia światła przez granicę dwóch ośrodków zarówno promień załamany, jak i odbity są częściowo spolaryzowane. Jeżeli natomiast światło pada pod takim kątem α_B, że stosunek współczynników załamania tych ośrodków jest równy tangensowi kąta α_B

to promień odbity jest całkowicie spolaryzowany. Promień odbity tworzy wtedy z promieniem kąt 90˚. Kąt padania α_B spełniający ten warunek nazywa się kątem Brewstera. Wektor elektryczny
promienia odbitego drga prostopadle do płaszczyzny padania.

Polaryzator i analizator

Dwa nikole ustawione jeden za drugim tworzą układ, w którym pierwszy nikol spełnia rolę polaryzatora, drugi zaś analizatora. Jeżeli płaszczyzna polaryzacji analizatora jest równoległa do płaszczyzny polaryzacji padającego światła spolaryzowanego, a więc i do płaszczyzny polaryzacji polaryzatora, to światło przechodzi przez analizator (natężenie I₀). Jeżeli natomiast analizator ustawić tak, że te dwie płaszczyzny są nachylone do siebie pod kątem α, to pole elektryczne światła przechodzącego będzie opisane rzutem wektora E₀ na płaszczyznę polaryzacji analizatora, czyli

stąd natężenie I światła wychodzącego z analizatora wynosi:

czyli

(wzór Malusa)

Jeżeli płaszczyzna drgań wektora świetlnego światła padającego na analizator jest prostopadła do płaszczyzny polaryzacji analizatora (α = 90˚, analizator jest „skrzyżowany z polaryzatorem), to natężenie światła przechodzącego, zgodnie ze wzorem Malusa, równa się zeru. W ten sposób za pomocą analizatora można określić zmiany kierunku drgań wektora świetlnego promienia padającego na analizator.

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji, substancje optycznie czynne.

Substancje optycznie czynne mają zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła liniowo spolaryzowanego, tę cechę wykazują cząsteczki związków organicznych o asymetrycznie rozmieszczonych podstawnikach (asymetryczny rozkład ładunku elektrycznego w cząsteczce). Cząsteczki takiej substancji w roztworach są dla fali świecącej ośrodkiem anizotropowym, co jest przyczyną obserwowanego skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła liniowo spolaryzowanego. Substancje optycznie aktywne to: roztwory cukrów, aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe.

Zjawisko skręcania płaszczyzny polaryzacji światła przez substancje optycznie czynne można wyjaśnić tym, że każde liniowo spolaryzowane światło można przedstawić za pomocą dwóch składowych spolaryzowanych kołowo: składowej prawoskrętnie p i składowej lewoskrętnie l. W ośrodku izotropowym, optycznie nieaktywnym, prędkość rozchodzenia się obu składowych jest taka sama i kierunek drgań wektora E promienia świetlnego po przejściu przez substancję jest taki sam jak spolaryzowanego liniowo promienia padającego. W roztworach substancji optycznie czynnych prędkość obu składowych jest różna. Po przejściu przez roztwór jedna składowa jest opóźniona względem drugiej. W wyniku ich złożenia otrzymuje się również światło liniowo spolaryzowane, jednak wektor E' tworzy kąt α z kierunkiem drgań liniowo spolaryzowanego światła padającego.

Płaszczyzna polaryzacji światła wychodzącego z roztworu substancji optycznie aktywnej została więc obrócona względem płaszczyzny polaryzacji światła padającego o kąt α, zwany kątem skręcenia płaszczyzny polaryzacji (jest proporcjonalny do liczby cząsteczek - n, substancji optycznie czynnej, jakie napotyka promień świetlny na swej drodze).

α n

Dla roztworu liczba cząsteczek substancji rozpuszczonej

n cl

Gdzie:

c-stężenie substancji optycznie czynnej w roztworze, wyrażone w g/cm³.

l-grubość warstwy roztworu w dm.

W przypadku roztworów substancji optycznie czynnej w rozpuszczalniku optycznie nieczynnym można zapisać:

α cl

Gdzie:

α₀-skręcenie właściwe.

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy więc od stężenia substancji optycznie czynnej, długości drogi promieni w roztworze oraz od skręcenia właściwego charakterystycznego dla danej substancji.

Skręcenie właściwe α₀ mierzymy wielkością kąta, o jaki skręca płaszczyznę polaryzacji dany roztwór o grubości warstwy 1 dm i stężeniu 1 g/cm³. Skręcenie właściwe jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji optycznie czynnej rozpuszczonej w danym rozpuszczalniku w stałej temperaturze i dla danej długości fali świetlnej. Wartości skręcenia właściwego podawane w tablicy fizykochemicznych są na ogół mierzone w temp. 20°C dla żółtej linii sodu (linia D). do mierzenia kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji służy polarymetr.

II Opis ćwiczenia

Wykonanie pomiaru:

1. Przygotować roztwory o znanym stężeniu substancji optycznie czynnej (wg wskazówek prowadzącego ćwiczenia).

2. Włączyć do sieci lampę sodową i odczekać 5 min na jej pełne rozjarzenie.

3. Wstawić do polarymetru pustą kuwetkę pomiarową (cylindryczne naczynie).

4. Ustawić analizator A (pokrętłem z prawej strony przyrządu), aby sprzężona z nim skala kątowa wskazywała wartość ok. 2° (plus lub minus), wówczas w polu widzenia okularu ukaże się pionowy pasek (pole widzenia jest podzielone na trzy części). Nastawić ostrość przez podkręcenie okularu.

5. Obrócić ponownie analizator tak, by doprowadzić do wyrównania oświetlenia całego pola widzenia. Skala powinna wówczas wskazywać wartość zero lub minimalne odchylenie od zera, które należy odczytać na noniuszu kątowym skali i zanotować jako α₁.

6. Napełnić kuwetę roztworem o najmniejszym stężeniu (po skręceniu kuwety nie może znajdować się w niej bańska powietrza), przetrzeć okienka kuwety, wstawić kuwetę do polarymetru, poprawić „ostrość”, nastawić ponownie jednakowe oświetlenie pola widzenia (całe pole przyciemnione) i odczytać na skali kąt α₂.

7. Obliczyć kąt skręcenia α:

8. Obliczyć skręcenie właściwe α₀ ze wzoru:

Gdzie:

l=2dm

9. Przeprowadzić pomiary dla wszystkich przygotowanych próbek (wg pkt. 6-8).

10. Obliczyć średnie skręcenie właściwe α_0śr.

11. Sporządzić wykres zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji α od stężenia roztworu c (krzywa wzorcowa).

12. Przeprowadzić pomiary kątów α dla roztworów o nieznanych stężeniach. Z wykresu odczytać wartość tych stężeń.

13. Wyniki zestawić w tabelce.

Roztwór nr	c	α1	α2	L	αśr	cx

Roztwór nr	c	α1	α2	L	αśr	cx

---