Главная | Обратная связь

Лабораторная работа

Лабораторная работа

ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Цель работы: изучить явления поляризации света и оптической активности. Изучить устройство поляриметра и научиться работать с ним. Приобрести начальные умения в определении концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра.

Краткая теория

Поляриметрический метод основан на измерении угла поворота (вращение плоскости) плоскости поляризации при прохождении поляризованного света через оптически активные вещества. К таковым относятся вещества в молекулах которых имеется хотя бы один ассиметрический атом углерода: углеводы, аминокислоты, белки, антибиотики и многие лекарственные вещества. Оптическая активность обусловлена особенностя­ми строения молекул и кристаллической решетки веще­ства. Кристаллическая решетка при растворении вещества разру­шается, и оптическая активность исчезает. Оптическая активность, вызванная наличием в молекуле асимметрического атома углерода, при растворении вещества сохраняется.

По теории электромагнитных колебаний у естественного светового луча, идущего от любого источника, электромагнитные колебания происходят одинаковым образом во всех плоскостях, пересекающихся по прямой, совпадающей с направлением луча света. При прохождении естественного светового луча через анизотропные кристаллы (специально поляризованные призмы), неодинаково пропускающие колебания в разных плоскостях, на выходе из такого кристалла можно получить световые колебания, происходящие только в одной плоскости, совпадающей с плоскостью главного сечения призмы, а другие колебания света поглощаются призмой. Эту плоскость называют плоскостью колебания поляризованного света, а луч плоскополяризованным. Свойство некоторых материалов, выделять из хаотичных колебаний плоскополяризованные световые колебания, обусловлено особенностями их кристаллической решетки. Такими особенностями обладают, например,прозрачный исландский шпат (СaCO₃) и природный кварц SiO₂ .

Угол вращения плоскости поляризации зависит от природы оптически активного вещества и растворителя, температуры, дли­ны волны света, толщины слоя раствора. При прочих равных ус­ловиях значение α зависит также от концентрации раствора, на чем и основан поляриметрический метод анализа.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации, производимого оптически активным веществом, различают право- и левовращающие оптически активные вещества.

В частности сахароза, глюкоза, мальтоза относятся к правовращающим оптически активным веществам, фруктоза – к левовращающим. Угол вращения плоскости поляризации пропорционален длине пути, проходимого лучом в активной среде, а также концентрации оптически активного вещества, если это вещество находится в растворенном состоянии.

Оптически активные вещества, вращающие плоскость поля­ризации по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу све­та), относятся к правовращающим, а вещества, вращающие плоскость поляризации против часовой стрелки, — к левовраща­ющим. Правое вращение обозначают знаком «+» или буквой D перед названием соединения, а левое вращение — знаком «—»или буквой L.

Оптически активное вещество характеризуется определенным удельным вращением [α]_D²⁰, т. е. углом вращения плоскости поля­ризации при 20°С в монохроматическом свете [желтый свет натриевого пламени и обозначают[α]_D²⁰, где D-линия в спектре натрия (589 нм)] раствором, содержащим 100 г вещества в 100 см³ раствора, причем луч проходит в таком растворе путь, равный 100 мм (1дм):

 

(44)

где α—угол вращения плоскости поляризации, град.; с — концентрация раствора, г/100 см⁵;l— толщина слоя раствора (длина поляриметрической трубки), дм.

 

Зная удельное вращение исследуемого вещества [α]_D²⁰ , толщину слоя раствора (l)и угол поворота плоскости поляризации (α), можно найти концентрацию раствора (г/100 мл):

C = 100∙α / l[α]_D²⁰

 

Удельное вращение—величина постоянная, но иногда наблю­дается изменение удельного вращения в растворах во времени вследствие перехода одной оптической формы вещества в другую. Такое явление (мутаротация) обусловлено таутомерией - равновесной динамической изомерией, сущность которой заключается во взаимном превращении изомеров с переносом какой-либо подвижной группы и соответствующим перераспределением электронной плотности.

В табл. 1 приведены некоторые оптически активные вещества и соответствующие значения удельного вращения. Для мутаротирующих сахаров указаны начальный угол вращения и угол в рав­новесной системе.

 

 

Итак, поляриметрический метод анализа основан на том, что при прохождении луча света через оптически активное вещество крис­таллическая решетка пропускает лучи определенного направления колебаний. После выхода из кристалла колебания луча света про­исходят в одной плоскости (плоскость колебаний поляризованно­го луча); перпендикулярная ей плоскость называется плоскостью поляризации.

Приборы, с помощью которых измеряют величину угла вращения плоскости поляризации света, называют поляриметрами. Их разновидностью являются целевые приборы – сахариметры, глюкозиметры. Отсчетная шкала таких приборов показывает не угол вращения, а сразу массовую долю (%) сахарозы или глюкозы в растворе.

Поляриметр общего назначения имеет круговую шкалу, вращающуюся вместе с анализатором. Вращением анализатора достигается компенсация угла вращения плоскости поляризации, осуществляемая оптически активным веществом. Шкала поляриметра разделена на 360⁰С и позволяет измерить угол вращения в дуговых градусах.

Основными частями прибора являются две специальные призмы (николи). Одна призма неподвижна и служит для поляри­зации света (поляризатор), другая предназначена для измерения угла вращения плоскости поляризации (анализатор). При уста­новлении николей параллельно друг другу (рис. 11, а) луч света проходит через обе призмы наблюдаемые при этом различные явления зависят от взаимного расположения этих призм. Если анализатор повернуть на 90° относительно поляризатора (рис. 11, б), то луч, вышедший из поляризатора, не проходит через анализатор, в пространстве за анализатором свет гаснет (лучи не проходят). Если при таком положении призм поместить между ними раствор оптически активного вещества (рис. 11, в), то в анализаторе появ­ляется свет. Это объясняется тем, что луч света, вышедший из ра­створа оптически активного вещества поворачивает плоскость поляризации света из поляризатора, в результате свет проходит через анализатор и становится, виден наблюдателю. Интенсивность освещенности поля зрения зависит от угла вращения, т.е. от концентрации исследуемого раствора. Чтобы вторично достичь темноты, надо повернуть анализатор на соответствующий угол (угол вращения плоскости поляризации).

Анализируемый раствор помещают в поляриметрическую труб­ку длиной 1, 2 или 4 дм. Выбор длины трубки для решения конк­ретной аналитической задачи основан на предполагаемом значе­нии угла вращения плоскости поляризации: чем больше этот угол, тем короче должна быть поляриметрическая трубка.

 

 

 

Рис. 11. Схема поляриметра:

а—в — см. текст; 1 — источник неполяризованного света; 2 — поляризатор; 3 — поляриметрическая трубка с раство­ром оптически активного вещества; 4— анализатор

 

При анализе прозрачных растворов их поляриметрируют без предварительного осветления. Мутные и окрашенные растворы требуют специальной подготовки, заключающейся в обработке осветлителями, в качестве которых используют реактив Карреза (растворы солей гексацианоферрата(II) калия и сульфата цинка), растворы ацетата свинца, молибдата аммония, фосфорно-вольфрамовой кислоты и др. Осветлители должны дозироваться в соответствии с прописью метода для данного объекта исследования.

Поляриметрия широко применяется в медицине, биофизике и фармации для определения концентрации оптически активных веществ в растворе, для определения чистоты лекарственных препаратов, изучения превращений биополимеров.

Применение поляриметрии в медицинских и биофизических исследованиях:

-измерение концентрации сахаров в растворах;

-измерение степени спиральности белков;

-исследование переходов спираль-клубок в биополимерах;

-контроль денатурации и ренатурации биополимеров под влиянием температуры и различных химических веществ.

 

Схема поляриметра, основные части, их назначение.

Поляриметр круговой СМ-3 предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными растворами (рис.2).

Рис. 2. Оптическая схема поляризатора; И – источник света;

СФ – светофильтр; П – поляризатор; ФП – фазовая пластинка; К – кювета с исследуемым веществом; А – анализатор с отчетным устройством; О – окуляр.
Половина пучка поляризованного света перекрывается фазовой пластинкой (ФП). Последняя нужна, чтобы обеспечить полутеневой отсчет, который существенно повышает точность измерений (рис. 3).

Рис.3. Принцип полутеневого отсчета: кривые – зависимости интенсивности света, прошедшего через поляризатор (кривая 1) и поляризатор + фазовая пластинка (кривая 2) при изменении угла поворота анализатора φ от 0 до π.

В кружках – изображения яркости полей зрения при разных углах поворота анализатора: А – φ=φ_А – неправильная настройка на максимальную яркость; В и Г – расстройки: φ_В<φ_Б– угол вращения меньше угла с минимальной яркостью φ_Б; φ_Г>φ_Б – угол вращения больше угла с минимальной яркостью φ_Б. Белый цвет – большая яркость, черный – малая.
Принцип полутеневого отсчета используется в связи с тем, что глаз человека с очень большой точностью сравнивает яркости двух соседних полей зрения и с гораздо меньшей точностью позволяет оценить абсолютную яркость одного поля зрения. Представим себе, что нужно найти угол, при котором поляризатор и анализатор скрещены, т.е. анализатор повернут относительно анализатора на 90°. При изменении угла поворота анализатора φ от 0 до p соответствии с законом Малюса (1) интенсивность прошедшего света меняется по закону: (кривая 1). Следовательно, надо искать на этой кривой минимум, в районе которого интенсивность меняется очень слабо даже при большом изменении угла.

Пропустим половину пучка света кроме поляризатора еще через фазовую пластинку, тогда интенсивность будет изменяться по такому же закону, но со сдвигом фазы (кривая 2). Сведем яркости обоих полей зрения вместе так, как это сделано в поляриметре, т.е. в виде двух половин одного круга. При вращении анализатора на угол φ от 0 до k яркости полукругов совпадают два раза: когда угол поворота анализатора φ = φ_А и яркости максимальны и при φ = φ_Б - когда они минимальны. Для правильной настройки используют второй случай с минимальными значениями яркости. Видно, что если угол вращения меньше угла с правильной настройкой φ_В<φ_Б, или, наоборот, больше (φг>φ_Б), яркости соседних полей резко меняются в противоположном направлении. Это облегчает правильную настройку - поиск угла вращения φ_Б.

Выполнение работы

Задание 1. Ознакомление с работой поляриметра СМ-3. Конструкция поляриметра схематично представлена на рис. 7.4.

В корпусе прибора (1) расположены источник света, светофильтр, поляризатор, фазовая пластинка. К нему крепится кюветное отделение (2) с поворачивающейся крышкой (3), через окуляр (4) наблюдается изображение полутеневого отсчета
(рис.3). Ручкой 5 поворачивают анализатор. Через линзы отсчетного устройства (6) рассматриваются шкалы (7) отсчетного устройства.

Рис.4. (а) - оптическая схема поляриметра СМ-3а:
1 – корпус; 2 – кюветное отделение; 3 – крышка кюветного отделения; 4 – окуляр; 5 – вращающаяся рукоятка анализатора; 6 – линзы отсчетного устройства; 7 – шкалы отсчетного устройства; схема нониуса (б): 8 – лимб; 9 – шкала нониуса.

Две шкалы отсчетного устройства используются для облегчения измерений растворов лево - и правовращающих веществ. Для правовращающих веществ (веществ с положительным удельным вращением [α₀]D) используется левая шкала, при этом углы вращения составляют 0-35°. Для левовращающих веществ (веществ с отрицательным удельным вращением [α₀]D) также используется левая шкала, при этом углы вращения составляют 360-325° - величина угла вращения равна отсчету по левой шкале минус 360°. В отсчетном устройстве используется нониус.
Нониус - это устройство, состоящее из двух расположенных рядом шкал и служащее для повышения точности отсчета. На рис.4 показана схема отсчета по правой шкале - для левой отсчет производится аналогично. Первой шкалой является круговой лимб (8) (на рисунке показана его часть), второй шкалой -шкала нониуса (9).

Отсчет показания анализатора производится следующим образом. Сначала находят число минимального количества градусов (с точностью до 0,5°), на которое указывает нуль нониуса - на рис. 7.4 это 2,5°. Затем к этому значению прибавляют десятые и сотые доли градуса, соответствующие тому штриху нониуса, который точнее всего совпадает с каким-либо штрихом лимба (вся шкала нониуса составляет 0,50°). Например, на рис. 46 таким делением на шкале нониуса является 20, т.е. 0,20°. Таким образом, на рисунке положение анализатора характеризуется углом φ = 2,5° + 0,20°.

Порядок работы на приборе:

1. Включите поляриметр в сеть. Выключателем «сеть», расположенным на задней стенке прибора, включите прибор. Через 5 мин. прибор готов к работе.

2. Вращением втулки на окуляре (4) установите окуляр так, чтобы видеть резкое изображение линии раздела правой и левой части поля сравнения.

3. Вращением рукоятки (5) добейтесь одинаковой яркости обоих полей зрения при наименьшей их освещенности.

4. Запишите соответствующий отсчет вращения φ₀ без образца в таблицу. Поверните немного анализатор и повторите измерения по п.3. Всего проделайте три измерения: φ01, φ02, φ03 и найдите среднее значение угла вращения без образца φ₀ ср.

5. Откройте крышку (3) кюветного отделения (2) и поместите в него кювету с раствором фруктозы.

6. Проделайте действия по п. 2-4 и по результатам трех измерений угла вращения φ₁, φ₂, φ₃ найдите среднее значение этой величины φ_ср, а также угол вращения плоскости поляризации раствором глюкозы α = φ_ср - φ₀. Данные занесите в таблицу.

 

Лабораторная работа