Какой физический смысл имеет удельное вращение. Определение оптического вращения
Поляриметрия - это оптический метод исследования, основанный на способности оптически активных соединений вращать плоскость колебания линейно поляризованного света (см. Изомерия).
Атомы и молекулы светящихся тел излучают электромагнитные волны. При полной неупорядоченности в расположении этих частиц тела испускают так называемый естественный свет, в котором колебание векторов напряженности электрического (или магнитного) поля происходит во всех плоскостях, проходящих через направление распространения световой волны. Упорядоченность в направлении колебаний полей называется поляризацией света. Такой свет, в котором колебания напряженности электрических (магнитных) полей происходят в одной плоскости, называется плоско поляризованным светом, а плоскость, в которой колеблется напряженность магнитного поля световых лучей,- плоскостью поляризации. Поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через поляризующие призмы, изготовляемые из особых кристаллов. К таким кристаллам относятся кристаллы исландского шпата, из которых обычно и готовят поляризующие призмы (призмы Николя). При прохождении поляризованного света через раствор оптически активного вещества происходит вращение плоскости поляризации, но обнаружить его можно только при помощи второй такой же поляризующей призмы (анализатора). Исследование вращения плоскости поляризации используют для изучения строения оптически активных соединений, а также для количественного их определения. Оптическая активность характеризуется величиной удельного вращения [α], т. е. углом поворота плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного соединения при толщине слоя жидкости в 1 дм.
Удельное вращение рассчитывают по величине вращения раствора данного соединения с известной процентной концентрацией:
[α] = α100/l·C
где α - угол вращения в градусах, C - концентрация в %, l - толщина слоя раствора в дм. Удельное вращение меняется с изменением температуры и длины волны света. Поэтому определение проводят в монохроматическом свете прb определенной температуре. Длина волны и температура помечаются при значениях [а]. Зная из справочных таблиц удельное вращение данного соединения и определив угол вращения раствора этого соединения, легко рассчитать концентрацию:
C = α100/[α]l
Раствор не должен содержать других оптически активных соединений.
Для определения вращения плоскости поляризации применяют оптические приборы-поляриметры. Поляриметр (рис. 1) состоит из двух поляризующих призм: неподвижной - поляризатора и вращаемой - анализатора и трубки с исследуемым раствором. Угол поворота можно определить, устанавливая анализатор на равную освещенность всего поля зрения сначала без раствора, а затем с раствором оптически активного соединения. При этом анализатор надо повернуть на угол, равный углу вращения плоскости поляризации исследуемого раствора. Угол вращения отсчитывают по кругу с делениями (лимбу). Если после установки трубки с раствором а анализатор вращают по часовой стрелке, то говорят о правом (+), если против часовой стрелки - о левом (-) вращении. Для повышения точности поляриметры снабжены дополнительными деталями из кварца. В некоторых поляриметрах выравнивание освещенности после установки раствора и отсчет концентрации оптически активного вещества производится посредством линейного перемещения кварцевого клина. Точность обычных поляриметров 0,05°. Для получения монохроматического света обычно пользуются светофильтрами. Метод поляриметрии широко используется в лабораториях; в клинических лабораториях и лабораториях пищевой промышленности методом поляриметрии пользуются для определения содержания сахаров. Поляриметры, применяемые для определения содержания тростникового сахара, называются сахариметрами (рис. 2).
Рис. 1. Схемы поляриметров различных типов: а - система с двумя пластинками из бикварца; б - полутеневая с николем; в - полутеневая с двумя николями. 1 - поляризатор; 1" и 1" - николи; 2 - пластинка бикварца; 3 - трубка с раствором; 4 - анализатор (справа - схемы освещенности полей поляриметров).
Рис. 2. Клиновой поляриметр-сахариметр СОК (схема): 1 - осветитель; 2 - светофильтр; 3 - диафрагма; 4 - линза; 5 - николь; 6-трубка для исследуемого раствора; 7 - неподвижный кварцевый клин; 8 - подвижный кварцевый клин; 9 - анализатор; 10-окуляр; 11 - крышка; 12 - винт; 13 - лупа.
Для оптически активных веществ определяют величину вращения плоскости поляризации. Оптическое вращение - способность вещества отклонять плоскость поляризации при прохождении через него плоскополяризованного света. В зависимости от природы вещества вращение плоскости поляризации может иметь различные направление и величину. Различают правовращающие вещества (условно обозначают d или +) и левовращающие вещества (условно обозначаются I или -). Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают а. Величина угла зависит от природы оптически активного вещества, толщины слоя вещества, температуры и длины волны света. Величина угла вращения прямо пропорциональна толщине слоя. Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации вычисляют так называемое удельное вращение.
Удельным вращением называют вращение плоскости поляризации, вызванное слоем вещества толщиной 1 дм при пересчете на содержание 1 г вещества в 1 мл объема. Для жидких веществ удельное вращение определяют по формуле:
Для растворов веществ:
где аlpha - измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя жидкости, дм; с - концентрация раствора, выраженная в граммах на 100 мл раствора; d - плотность жидкости.
Величина удельного вращения зависит также от природы растворителя и концентрации раствора. При замене растворителя может изменяться не только величина угла вращения, но и его направление. Во многих случаях удельное вращение постоянно лишь в определенном интервале концентраций. В интервале концентраций, при которых удельное вращение постоянно, можно по углу вращения рассчитать концентрацию вещества в растворе:
Ряд оптически активных веществ в растворе изменяет угол вращения до определяемой постоянной величины. Это объясняется наличием в растворе смеси стереоизомерных форм, имеющих различные значения угла вращения. Только через некоторое время устанавливается в растворе равновесие между различными оптическими изомерами. Особенно часто с этим явлением приходится встречаться при анализе сахаров. Свойство растворов в течение некоторого времени изменять величину угла вращения называется мутаротацией.
Определение угла вращения плоскости поляризации проводят в приборах, называемых поляриметрами. Правила пользования данной моделью поляриметра изложены в инструкции к прибору. Определение, как правило, проводят для D - линии натрия при 20 С.
Общий заключается в следующем. Луч от источника света направляется через желтый светофильтр в призму-поляризатор. Проходя через призму Николя, луч света поляризуется, колебания его совершаются только в одной плоскости. Плоскополяризованный свет пропускают через кювету с раствором оптически активного вещества. При этом отклонение плоскости поляризации света определяют с помощью второй, вращающейся, призмы Николя (анализатора), которая жестко связана с градуированной шкалой. Наблюдаемое через окуляр значительное поле, разделенное на две или три части различной яркости, следует сделать равномерно освещенным, поворачивая анализатор. Величину поворота считывают со шкалы. Для проверки нулевой точки прибора проводят аналогичные измерения без исследуемого раствора. Направление плоскости поляризации, как правило, устанавливают направлением поворота анализатора. Конструкция отечественных поляриметров такова, что если для получения однородного освещенного поля зрения приходится повернуть анализатор вправо, т. е. по часовой стрелке, то исследуемое вещество было правовращающим, что обозначается знаком + (плюс) или d. При повороте анализатора против часовой стрелки получаем левое вращение, обозначаемое знаком - (минус) или I.
В других приборах точное направление вращения определяют при помощи повторного измерения, которое проводят либо с половинной толщиной слоя жидкости либо с половинной концентрацией. Если при этом получают угол вращения а/2 или а/2+900, то можно считать, что вещество является правовращающим. Если новый угол вращения равен 90 - а/2 или 180 -а/2, то вещество обладает левым вращением. Удельное вращение не очень сильно зависит от температуры, однако для точных измерений термостатирование кюветы необходимо. При данных по оптическому вращению необходимо указывать применяемый растворитель и концентрацию вещества в растворе, например [а]о = 27,3 в воде (С=0,15 г/мл).
Поляриметрические определения применяют как для установления количественного содержания оптически активных веществ в растворах, так и для проверки их чистоты.
Конфигурация этого вещества может быть скоррелирована с конфигурациями винной кислоты и далее с глицериновым альдегидом.
Вращение плоскости поляризации
Явление вращения плоскости поляризации световой волны на некоторый угол при прохождении света сквозь кристаллические тела и некоторые изотропные жидкости, называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью.
Если вещество не находится во внешнем магнитном поле, то оптическая активность будет естественной.
Естественная оптическая активность была открыта в 1811 г. Д. Араго на пластинках кварца, которые вырезаны перпендикулярно оптическим осям.
Пусть взгляд наблюдателя направлен навстречу падающему лучу. Вращения называют правым (положительным), если плоскость поляризации поворачивается вправо (по часовой стрелке) для наблюдателя, и левым (отрицательным), если она поворачивается влево.
В природе существует два типа кристаллов кварца, которые являются зеркальным отражением друг друга. Первые обращают плоскость поляризации вправо, другие - влево и видповидно называются право- и левовращающий кварцем. Угол вращения плоскости поляризации пропорционален толщине слоя оптически активного вещества:
Рисунок 2.
где $l$ - длина пути луча в оптически активной среде; $α$ - коэффициент пропорциональности, который называют вращательной способностью, или удельным вращением. Он зависит от природы вещества, температуры и длины волны .
Удельное вращение равно величине угла, на который возвращается плоскость поляризации монохроматического света при прохождении слоя толщиной $l$.
Далеко от полос поглощения свет вещества зависимость от удовлетворяет закон Био:.
Рисунок 3.
Для оптически активных жидкостей и растворов Ж. Био установил, что угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине слоя $l$ и концентрации $C$ оптически активного вещества, то есть,
Рисунок 4.
где $[α]$ - коэффициент пропорциональности, который называется удельным вращением раствора. Коэффициент зависит от природы оптически активного вещества и растворителя, температуры и длины волны света.
Свойства оптической активности растворов позволяют определить их концентрации. Приборы, с помощью которых проводят такие измерения, называются поляриметром. Поскольку для раствора сахара удельное вращение значительное, то поляриметры получили широкое применение в сахариметрии.
Теорию вращения плоскости поляризации оптически активными веществами разработал А. Френель. Он считал, что это явление обусловлено особым видом двойного преломления лучей, при котором скорость распространения света в активной среде различна для лучей, имеющих правую и левую круговые поляризации. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется соотношением между скоростями распространения лучей правой циркуляционной поляризации и левой циркуляционной поляризации. Для оптически активную среду будет положительным, а для будет отрицательным.
На входе в оптически активное вещество линейно поляризованный монохроматический свет разлагается на две волны той же частоты, но поляризованные по кругу во взаимно противоположных направлениях:
Рисунок 5.
Векторы и этих волн симметричны относительно плоскости $p - p$ колебаний падающего света.
При выходе из оптически активной среды с толщиной слоя $l$ электрический вектор правоциркуляцийнои волны будет возвращен на больший угол, чем для ливоциркуляцийнои волны. В результате плоскость, относительно которой электрические векторы этих волн размещены симметрично, будет повернута вправо на угол относительно плоскости поляризации падающей волны.
Углы поворота электрического вектора правой и левой волн зависят от времени распространения волны $t$ и длины их пути в оптически активной среде.
В 1845 г. М. Фарадей обнаружил, что при распространении линейно поляризованного света в оптически неактивных веществах в направлении магнитного поля, то происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол. Если наблюдатель смотрит в направлении магнитного поля, то поворот направо считается положительным, слева - отрицательным.
Использование вращения плоскости поляризации
Величину удельного вращения определяют для подтверждения чистоты и тождества оптически активного вещества. Поскольку удельное вращение зависит от концентрации и природы растворителя, условия его определения приводятся в соответствующих монографиях на лекарственные средства.
В интервале концентраций, при которых удельное вращение - постоянная величина, с помощью угла вращения можно рассчитать концентрацию вещества в растворе:
Замечание 1
Таким образом, можно сделать вывод о том, что поляриметрия, как метод анализа используется в как в качественном, так и в количественном фармацевтическом анализе.
Определение степени чистоты глюкозы и аскорбиновой кислоты
Определение по величинам удельного оптического вращения основывается на измерении угла поворота $(α)$ растворов глюкозы и аскорбиновой кислоты и расчета удельного оптического вращения. Для 10% водного раствора глюкозы величина удельного оптического вращения составляет от + 51,3 ° до + 53,0 °; для 20% раствора аскорбинок кислоты от + 22 ° до + 24 °.
Полученные значения сравнивают с табличными данными и делают выводы о соответствии исследуемых веществ стандартам качества.
Идентификация право- и левовращающий камфоры
Данное определение основывается на измерении угла вращения плоскости поляризации спиртовых растворов камфоры. Камфора, полученная из камфорного дерева - право вращающаяся, с масла пихты - левовращающий изомер, синтетическая камфора - оптически неактивное вещество. Удельное оптическое вращение 10% раствора камфоры в 95% спирте для правой вращающейся камфоры составляет от + 41 ° до + 44 °, для лево вращающейся от -39 ° до -44 °.
Заполняют поляриметрические трубку жидкостью или раствором с известной концентрацией твердого вещества, повторяют вышеприведенные операции и определяют угол вращения по шкале прибора. Определение угла вращения повторяют не менее 5 раз и рассчитывают его среднее значение. Угол вращения является алгебраической разностью между полученным значением и нулевой точкой. Измеряют угол вращения приготовленных растворов с право- и лево вращающейся камфорой и делают выводы об идентификации исследуемого вещества.
Теория поляриметрии
Оптическая активность веществ очень чувствительна к изменениям пространственной структуры молекул и к межмолекулярному взаимодействию.
Исследование оптической активности веществ
С помощью оптических поляриметров определяют величину вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически-активные среды (твёрдые вещества или растворы).
Поляриметрия широко применяется в аналитической химии для быстрого измерения концентрации оптически-активных веществ (см. Сахариметрия), для идентификации эфирных масел и в других исследованиях.
- Величина оптического вращения в растворах зависит от их концентрации и специфических свойств оптически-активных веществ.
- Измерение вращательной дисперсии света (спектрополяриметрия, определение угла вращения при изменении длины волны света позволяет изучать строение веществ.
См. также
Литература
- Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М.-Л., 1951
- Джерасси К., Дисперсия оптического вращения, пер. с англ., М., 1962
- Терентьев А. П., Органический анализ, М., 1966
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Удельная теплоемкость
- Удельная электропроводность
Смотреть что такое "Удельное вращение" в других словарях:
Удельное вращение - см. Вращательная способность химических соединений …
удельное вращение вещества - Угол, на который поворачивается плоскость поляризации оптического излучения определенной длины волны при прохождении им пути единичной длины в веществе. [ГОСТ 23778 79] Тематики оптика, оптические приборы и измерения EN specific rotation of… …
удельное вращение раствора - Отношение угла, на который поворачивается плоскость поляризации оптического излучения определенной длины волны при прохождении им пути единичной длины в растворе вещества, к концентрации этого вещества. [ГОСТ 23778 79] Тематики оптика, оптические … Справочник технического переводчика
Удельное вращение некоторых органических веществ - Вещество Растворитель Удельное вращение* Сахароза Вода +66,462 Глюкоза Вода +52,70 … Химический справочник
относительное удельное вращение вещества - Отношение удельного вращения вещества к плотности этого вещества. [ГОСТ 23778 79] Тематики оптика, оптические приборы и измерения EN relative specific rotation of substance DE relative spezifische Materialdrehung FR rotation relative spécifique… … Справочник технического переводчика
Вращение плоскости поляризации - поперечной волны физическое явление, заключающееся в повороте поляризационного вектора линейно поляризованной поперечной волны вокруг её волнового вектора при прохождении волны через анизотропную среду. Волна может быть электромагнитной,… … Википедия
ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ - ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ, изменение направления (плоскости) колебаний лучей поляризованного света (см. Поляризация оптическая). Этим свойством обладают: 1. Все прозрачные тела, если их поместить в магнитном поле (магнитное В. п. п.). Для… … Большая медицинская энциклопедия
УДЕЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ - то же, что (см. ВЕРДЕ ПОСТОЯННАЯ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
Вращательная способность химических соединений - Под именем вращательной способности химических соединений подразумевается способность, присущая некоторым из них, отклонять плоскость поляризации светового луча от ее первоначального направления. Допустим, что в луче такого поляризованного света… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Сахарозы - (хим.) название, произведенное от слова сахароза, синонима тростникового сахара; систематически употреблено для обозначения углеводов общей формулы С12Н22О11 только в настоящем Энц. сл. и в 1 м томе соч. Толленса Handb. der Kohlenhydrate (Бресл.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Поляриметрический метод анализа основан на способности веществ отклонять плоскость поляризации при прохождении че-рез них поляризованного света.
Вещества, отклоняющие плоскость поляризации света впра-во или влево, называются оптически активными.
Если вращение плоскости поляризации происходит вправо (по движению часовой стрелки), то вещество называют право-вращающим и перед названием его ставят индекс d или знак + (плюс); если вращение плоскости поляризации происходит влево (против часовой стрелки), то вещество называют лево-вращающим и перед названием его ставят индекс 1 или знак - (минус).
Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой а.
Величина угла вращения зависит от природы оптически ак-тивного вещества, толщины его слоя, температуры, природы растворителя и длины волны света.
Как правило, определение оптического вращения проводят при 20 °С и при длине волны линии D спектра натрия (589,3).
Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением, т. е. вращением плоскости поляризации, вызванно-го слоем вещества (/) толщиной 1 дм при концентрации С, рав-ной 1 г вещества в 1 мл объема при 20 °С. Обозначают удель-ное вращение знаком {а]г> 20 .
Удельное вращение растворов вычисляют по формуле:
где: а - измеренный угол вращения, градусы; / - толщина слоя раствора, дм; С - концентрация раствора, %.
Зная удельное вращение вещества, постоянное в определен-ном интервале концентраций, можно вычислить его содержание в растворе в процентах (С) по формуле:
Для жидких индивидуальных веществ удельное вращение определяется по формуле:
где: а - измеренный угол вращения, градусы; / - толщина слоя вещества, дм; р - плотность жидкости, г/см 8 .
Метод поляриметрии широко используется в фармацевтиче-ском анализе для установления оптической активности лекарст-венных веществ, качественной и количественной оценки их.
Для измерения угла вращения плоскости поляризации при-меняют приборы, называемые поляриметрами.
В практической работе используются поляриметры различ-ных систем, основанные на одном и том же принципе их работы.
Устройство поляриметра представлено на рис. 4.
Оптическая система прибора. Свет от источника излучения через светофильтр (или матовое стекло) попадает на призму-поляризатор, которая образует на выходе два разделен-ных поляризованных пучка, причем потоки в каждом из них равны. Поляризатор установлен так, что плоскости поляриза-ции обоих пучков составляют один и тот же угол с плоскостью поляризации анализатора. Если на пути обоих пучков установ-лена кювета с раствором, то плоскости поляризации будут по-вернуты и один из пучков будет больше ослаблен анализатором, чем другой. Поворот компенсатора позволит скомпенсировать указанное изменение потока. Одновременно вращается шкала, которая подсвечена через призму и наблюдается в лупу. Через зрительную трубу наблюдается окраска полей.
Порядок работы. 1. Окуляр зрительной трубы и лупу шкалы устанавливают (при помощи вращения их оправ) на максимальную резкость изображения так, чтобы вертикальная линия, разделяющая после зрения на две половины, была четко видна, а в поле зрения лупы ясно были видны штрихи и цифры нижней шкалы и нониуса (верхней шкалы).
2. Установка прибора на 0. Для этого добиваются полной однородности обеих половинок поля зрения с помощью рукоят-ки передачи. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. В противном случае с помощью ключа пере-мещают нониус до совмещения его нулевого деления с нулевым делением шкалы.
3. Заполнение поляриметрической кюветы. Перед наполнени-ем кювету промывают испытуемым раствором два раза; жид-кости наливают столько, чтобы она выступала поверх краев трубки. Выжидают некоторое время, чтобы пузырьки газа под-нялись вверх. Закрывают кювету чистым стеклом, как бы сре-зая выступающую жидкость.
4. Поляриметрическую кювету с испытуемым раствором вкла-дывают в камеру прибора, при этом изменяется однородность обеих половинок поля зрения. Вращением рукоятки передачи уравнивают их освещенность.
5. Производят отсчет показаний с точностью до 0,01.
6. Затем повторяют уравнивание освещенностей обеих половин поля зрения, и снова проводят отсчет показаний, повторяя 5 раз. Берут среднеарифметическое и принимают за результат. Выбор светофильтра. 1. Если при исследовании бес-цветных или слабоокрашенных растворов не наблюдается раз-личие в оттенках окраски обеих половин поля зрения, то пово-ротную обойму ставят в положение, соответствующее обозна-чению «М». При этом положении в оптическую систему вводит-ся матовое стекло.
2. Если при поляризации бесцветных или слабоокрашенных растворов наблюдается некоторое различие в оттенках окраски обеих половин поля зрения, затрудняющее приведение поля зрения к однородности, то поворотную обойму ставят в положе-ние, соответствующее обозначению «С». При этом положении в оптическую систему вводится светофильтр.
3. В случае работы с темноокрашенными растворами обойму ставят в положение без обозначения, что соответствует макси-мальной интенсивности освещения поля зрения.
