Determinarea concentratiei unei solutii optic active prin metoda polarimetrica

Determinarea concentratiei unei solutii optic active prin metoda polarimetrica

1. Scopul lucrarii

Determinarea concentratiei unei solutii optic active cu ajutorul unui polarimetru. Se va utiliza faptul ca o substanta optic activa roteste planul de polarizare al luminii cu un unghi direct proportional cu concentratia acesteia in solutie.

2. Principiul lucrarii

Unda este o perturbatie a unei stari de echilibru care se deplaseaza (propaga) in timp dintr-o regiune in alta. Daca perturbatia are loc pe o directie paralela cu directia de deplasare a perturbatiei, unda se numeste unda longitudinala (un exemplu este unda sonora) (Fig. 56a). Daca perturbatia are loc pe o directie perpendiculara pe directia de deplasare a perturbatiei, unda se numeste unda transversala (un exemplu sunt radiatiile electromagnetice din care face parte si radiatia luminoasa) (Fig. 56b).

Spre deosebire de fenomenele de interferenta si difractie care apar la toate tipurile de unde, fenomenul de polarizare apare doar la undele transversale.

Unda luminoasa consta in oscilatii a 2 campuri, electric si magnetic. In studiul fenomenelor optice este importanta componenta electrica, de aceea componenta magnetica este neglijata.

Sursele de lumina contin atomi ce pot castiga energie prin diverse procese si care elibereaza ulterior aceasta energie prin dezexcitare, cu emisie de radiatie luminoasa (radiatie electromagnetica cu lungime de unda intre 450nm si 750nm). Datorita agitatiei termice, moleculele ce contin acesti atomi au orientari spatiale aleatoare astfel ca lumina emisa este compusa din radiatii cu diverse orientari ale campului electric. De remarcat ca, indiferent de directia pe care variaza intensitatea campului electric, aceasta se va pastra totdeauna perpendiculara pe directia de deplasare a undei (Fig. 57).

Lumina a carei directie de oscilatie a intensitatii campului electric (E) are o orientare aleatoare se numeste unda nepolarizata. Lumina emisa de soare, de un bec electric sau de flacara unei lumanari, toate sunt exemple de lumina nepolarizata.

Daca, prin diverse metode, se selecteaza doar anumite directii de oscilatie ale lui E atunci unda se numeste partial polarizata. Daca se selecteaza o singura directie de oscilatie a lui E atunci unda se numeste total polarizata.

Exista mai multe metode de a obtine unde partial/total polarizate. Dintre ele mentionam folosirea de filtre de polarizare, fenomenele de reflexie si refractie a luminii.

1. Folosirea de filtre de polarizare. Un filtru de polarizare poate fi un material constituit din lanturi de molecule lungi (polimeri) aranjate astfel incat sa fie paralele unele cu altele, in acest mod permitand trecerea selectiva a radiatiei luminoase.

2. Reflexia: atunci cand lumina cade pe suprafata de separatie dintre 2 medii diferite (indici de refractie diferiti, n₁ si n₂), o parte a undei se intoarce din mediul din care a venit (raza reflectata) iar o alta parte trece in cel de-al doilea mediu (raza refractata). S-a observat ca exista o predilectie pentru urmatorul fenomen: in radiatia reflectata se regasesc in majoritate unde al caror camp electric variaza perpendicular pe planul de incidenta (planul care contine raza incidenta si normala la suprafata) iar in radiatia refractata se gasesc majoritar unde al caror camp electric variaza paralel cu planul de incidenta (Fig. 58). Daca se indeplineste o anume conditie, este posibil chiar ca radiatia reflectata sa contina doar unde cu E variind perpendicular, iar in radiatia refractata sa se gaseasca exclusiv unde cu E variind paralel cu planul de incidenta. Aceasta conditie este ca intre raza reflectata si cea refractata sa existe un unghi de 90⁰. in acest caz, unghiul se numeste unghi Brewster iar tangenta sa este egala cu raportul dintre indicii de refractie ai celor 2 medii.

tg _Brewster = n₂/n₁

3. Refractia: unele cristale (saruri de calciu, de ex. spat de Islanda), desi sunt transparente la lumina, au valori diferite ale vitezei de deplasare a luminii in interiorul lor, functie de directia pe care se deplaseaza aceasta. Aceste cristale au proprietatea de a descompune in 2 fascicole independente lumina incidenta (birefringenta) iar aceste doua fascicole se deplaseaza pe directii diferite in interiorul cristalului. Unul din fascicole trece nedeviat si are proprietatea ca E variaza perpendicular pe planul de incidenta. Celalalt fascicol este deviat fata de directia undei incidente si are proprietatea ca E variaza pe o directie paralela cu planul de incidenta. Daca un astfel de cristal se taie intr-un anume mod, se poate face in asa fel incat una din componente sa fie complet absorbita de cristal si doar una dintre componente sa strabata cristalul (Fig. 59). Cristalul transforma astfel lumina nepolarizata intr-o lumina total polarizata. Un astfel de cristal se numeste nicol iar in experimentul ce urmeaza, polarizorul si analizorul, parti esentiale ale sistemului studiat, sunt nicoli.

Am prezentat pana acum fenomenul de polarizare liniara in sensul ca o substanta poate avea proprietatea de a transforma o lumina nepolarizata intr-una pentru care E are o singura directie de oscilatie (Fig. 60). Exista insa si fenomenul de polarizare rotatorie care consta in rotirea planului de polarizare al luminii atunci cand un fascicol de lumina polarizata liniar cade pe suprafata unui anume tip de substanta (vectorul E al undei, la trecerea prin acea substanta, descrie o traiectorie elicoidala) (Fig. 58). Astfel de substante ce rotesc planul de polarizare al luminii sunt numite substante optic active. In experimentul ce urmeaza, substanta optic activa se va gasi in tubul cu substanta de analizat dar si lama dicroica (cristalul de turmalina) ce se va interpune pe o parte a fascicolului de lumina, este tot o substanta optic activa.

Un exemplu de polarizare liniara folosit in practica sunt ochelarii cu filtru polarizor. Daca directia de transmisie a luminii prin filtru este verticala, acesta nu va lasa sa treaca lumina reflectata pe suprafete orizontale, cum ar fi asfaltul unei sosele, suprafata unui lac etc. Lumina reflectata pe o suprafata orizontala este preponderent polarizata orizontal (perpendicular pe planul de incidenta) conform comportarii descrise mai sus. Prin blocarea luminii polarizate orizontal se reduce senzatia neplacuta de stralucire pe care o da lumina reflectata pe suprafata unei sosele sau suprafata unui lac.

Exista, de asemenea, in natura, substante care pot roti planul de polarizare al unei unde polarizate (substante optic active). Rotirea spre dreapta a planului de polarizare o realizeaza asa numitele substante dextrogire, rotirea spre stanga, substantele levogire. Unele substante de acest tip sunt folosite in metabolism, cele dextrogire fiind rapid metabolizate (de exemplu, glucoza) in timp ce substantele levogire sunt metabolizate in timp lung si constituie, de fapt, depozite energetice (de exemplu, fructoza).

Unghiul ά cu care o substanta optic activa roteste planul de polarizare este direct proportional cu concentratia c a substantei si cu grosimea stratului l a stratului de substanta folosit. Constanta de proportionalitate [ά] se numeste putere rotatorie specifica si este o constanta de material. Folosind aceasta dependenta se poate determina concentratia solutiei optic active.

ά = [ά]lc

. Mod de lucru

Pentru efectuarea masuratorilor este nevoie de urmatoarele aparate si substante:

. Polarimetru

. Solutii de glucoza de concentratii diferite.

. Apa distilata.

Polarimetrul este instrumentul care permite masurarea unghiului cu care o substanta optic activa roteste planul luminii polarizate; este format dintr-un sistem de polarizare a luminii numit polarizor (P) si un sistem de analiza a planului de polarizare al luminii numit analizor (A), intre care se plaseaza cuva cu solutia de studiat (S) (Fig. 61). Polarizorul si analizorul sunt niste nicoli.

Daca intre polarizor si analizor se afla doar cuva cu solutia de substanta optic activa, atunci, pentru a avea luminozitate maxima la iesirea luminii din analizor va trebui ca analizorul sa fie rotit cu acelasi unghi cu care substanta optic activa roteste planul luminii polarizate. Daca, dupa obtinerea luminozitatii maxime, se face citirea unghiului cu care analizorul a fost rotit, acest unghi reprezinta, de fapt, unghiul cu care substanta optic activa a rotit planul de polarizare al luminii. Totusi, pentru ochiul uman este dificil sa aprecieze, cu exactitate, momentul in care se obtine, dintr-o plaja de valori apropiate, valoarea maxima a unei intensitati luminoase. De aceea, pentru a creste gradul de precizie a citirii unghiului sub care a fost rotit planul luminii polarizate de catre substanta optic activa, se introduce, ca element de contrast, o zona centrala diferita ca intensitate luminoasa, produsa prin introducerea unei lame dicroice (Q) (lama care poseda dicroism circular, altfel spus, poate roti planul unei radiatii luminoase polarizate) (Fig. 61). Aceasta lama va roti planul luminii polarizate ce iese din polarizor astfel ca lumina care iese din lama dicroica va avea un unghi de inclinare a planului ei de polarizare fata de directia la iesirea din polarizor, pe care il notam cu β.

Ochiul uman este capabil sa aprecieze mult mai usor gradul de contrast dintre 2 zone luminate diferit decat maximul sau minimul de luminozitate al unei arii singulare. Incazul prezentei lucrari, lama dicroica se afla situata in zona centrala a fascicolului de lumina polarizata creand contrast intre cele 2 zone.

Sa presupunem ca in sistemul studiat se afla doar polarizorul si analizorul (nicoli). Sa mai presupunem ca analizorul este orientat pe directia pe care este polarizata lumina ce iese din polarizor. In aceasta situatie, iluminarea campului vizual al analizorului este maxima (luminozitate exprimata de valoarea lui E). Daca in zona centrala a fascicolului se introduce lama dicroica, aceasta va roti planul luminii polarizate si, in consecinta, zona centrala din campul vizual al analizorului va fi mai intunecata si anume, egala cu E·cosβ. Daca in acest moment rotim analizorul cu un unghi β/2 atunci intreaga suprafata va deveni egal luminata si anume egala cu E·cos(β/2). Valoarea acestui unghi se poate citi pe vernierul analizorului, polarimetrul fiind astfel construit incat aceasta pozitie a analizorului sa fie considerata pozitia de 0 (Fig. 64).

La introducerea substantei optic active (o solutie a unei substante organice), planul de polarizare a luminii va fi rotit cu un unghi suplimentar, ά. Pentru a obtine o iluminare uniforma si, deci, pentru a compensa efectul substantei optic active si al lamei dicroice, analizorul trebuie rotit cu unghiul (ά + β /2). In acest moment se citeste pe vernierul analizorului valoarea unghiului (daca se considera valoarea de 0 cea in care s-a compensat deja prezenta lamei dicroice, valoarea citita este chiar valoarea unghiului ά)

Ca mod de lucru efectiv se urmaresc pasii:

1. Se umple tubul polarimetrului cu apa distilata avand grija sa nu ramana nici o bula de aer, fetele strabatute de lumina se usuca bine si apoi se introduce in polarimetru. Se pune la punct imaginea campului vizorului si se citeste unghiul de rotatie al planului de polarizare al luminii prin rotirea analizorului pana la egalizarea luminozitatii celor 3 zone (zona centrala si zonele de deasupra si de dedesubt). Polarimetrele sunt astfel construite incat in aceasta configuratie unghiul citit sa fie 0⁰. In cazul in care indicatorul nu indica 0⁰, se va nota unghiul de corectie.

2. Odata aparatul pus la punct, se scoate tubul si se inlocuieste apa distilata cu solutia optic activa de concentratie cunoscuta. Se introduce tubul in aparat si privind prin ocular se observa ca in campul vizual plajele nu mai sunt egal luminate. Acest fenomen este datorat solutiei optic active din interiorul tubului care a rotit planul luminii polarizate.

3. Pentru a afla valoarea unghiulara cu care substanta optic activa a rotit planul luminii polarizate, se roteste analizorul spre dreapta sau spre stanga pana la uniformizarea iluminarii campului optic. In acest moment se citeste valoarea unghiului ά din care se scade unghiul de corectie.

4. Se procedeaza ca mai sus pentru celelalte doua solutii optic active de concentratii cunoscute si respectiv pentru solutia de concentratie necunoscuta c_x. Pentru fiecare solutie se fac 10 masuratori.

5. Se traseaza grafic dependenta unghiului ά de concentratia c_x, folosind metoda celor mai mici patrate.

6. Prin interpolare grafica se determina concentratia necunoscuta c_x.

Lumina polarizata se foloseste si in microscoapele cu polarizare. Acestea au un polarizor sub condensorul de lumina aflat dedesubtul platinei si un analizor deasupra obiectivului. In clinica, polarimeterele sunt folosite pentru determinarea concentratiilor de glucoza si de albumina din urina precum si pentru constatarea si dozarea glucozei din lichidul cefalorahidian. Alte aplicatii sunt in diagnosticul gutei, boala in care se modifica metabolismul acidului uric si care este insotita de formarea de depozite de cristale de urati de monosodiu in piele. Aceste cristale sunt birefringente si apar sub forma unor ace in lumina polarizata (Fig. 66). In cadrul bolii genetice Fabry se formeaza depozite de glicosfingolipide in peretii vaselor de sange si ca sedimente in urina. La microscopul cu lumina polarizata, aceste sedimente apar sub forma "crucii Malteze", fiind birefringente