Что такое право и левовращающие вещества

Обновлено: 19.05.2024

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 колебания частиц эфира будут совершаться в плоскости AB. Если мы заставили его проходить через слой, например, воды, то он пройдет через нее без изменения, и колебания составляющих его частиц эфира будут совершаться по выходе из воды в той же плоскости AB. Но если вместо воды взять некоторые другие вещества, например скипидар, то окажется, что колебания светового эфира (см. Вращение плоскости поляризации), составляющие луч поляризованного света, пройдя слой скипидара, будут колебаться уже не в прежней плоскости AB, а в другой A'B', составляющей с первой некоторый угол ?. Произошло изменение в направлении колебания или, как говорят, вращение плоскости поляризации данного светового луча. Угол ?, на который отклонена плоскость поляризации данного светового луча, называют углом вращения и вещество, произведшее отклонение, называется "вращающим плоскость поляризации" или "оптически деятельным". Угол вращения находится в зависимости от: 1) температуры, 2) от длины слоя вещества, способного вызывать это явление, 3) от природы этого вещества. Для изучения последнего влияния необходимо выяснить значение первых двух. Влияние температуры, при которой изучается явление, обыкновенно устраняют тем, что она берется всегда постоянной и одной и той же для всех веществ, обыкновенно 20° Ц. Влияние длины слоя вещества, способного вызывать явления вращения плоскости поляризации, сказывается в законе, найденном Био, а именно: угол вращения изменяется пропорционально длине слоя оптически деятельного вещества. Ввиду этого принято относить все наблюдения к одной какой-нибудь величине длины слоя, как к единице, за каковую и принимают длину слоя равную 1 дециметру. Соблюдая эти условия и изучая различные вещества в отношении их способности вращать плоскость поляризации (или оптической деятельности, как иногда выражаются), нашли, что только очень немногие вещества, в обычных условиях \[Вещества, помещенные в магнитном поле, приобретают эту способность, как объяснено в статье Вращение плоскости поляризации. ?.\], обладают этим свойством. Кроме него, между ними, по-видимому, нет ничего общего, так как они относятся к самым разнообразным классам химических соединений, притом как твердым, так жидким и газообразным. Твердые вещества, исследованные в этом отношении, распределяются на два класса: к первому относятся те, которые вращают плоскость поляризации, будучи только в кристаллическом состоянии, и тотчас теряют эту способность, если будут переведены в другое состояние, т. е. расплавлены, растворены или превращены в пар. Явление в этом случае зависит, значит, только от физического сложения, от кристаллического сложения частиц вещества и не находится в прямой связи с его химической природой или с распределением его атомов в частицах. Вещества, относящиеся к второму классу, сохраняют способность вращать плоскость поляризации даже и тогда, когда переводятся в другое физическое состояние, т. е. растворяются или превращены в пар, и притом в одной и той же мере во всех случаях. Таковы, например, камфара, скипидар. Сюда же могут быть причислены и все остальные оптически деятельные вещества жидкие и газообразные. Очевидно, что подобные вещества имеют способность вращать плоскость поляризации по причине сложения атомов в частицы, а не частиц в ту или иную физическую или механическую форму. Все они принадлежат к числу соединений углерода. Причина, вызывающая эту способность среди сложных веществ, до сих пор не выяснена, но она, несомненно, находится в зависимости от химического строения частиц данного оптически деятельного вещества, как это показали Лебель и Вант-Гоф, нашедшие, что только те соединения углерода обладают этой способностью, в частицах которых находится асимметрический атом углерода, т. е. такой, который соединен с 4-мя различными элементами или сложными группами (см. статьи Строение органических веществ и Углерод). Так, например, в веществе, называемом виннокаменной кислотой, имеются два таких асимметрических, означенных звездочкой, атома углерода, соединенных с 4-мя различными группами: 1) COOH; 2) H; 3) OH и 4) CHOH. b13_346-0.jpg Как показывают опыты, действительно все оптически деятельные вещества содержат хоть один асимметрический атом углерода, но обратного заключения пока сделать еще нельзя, т. е. не все содержащие такой атом углерода вещества способны вращать плоскость поляризации. Может быть, это обстоятельство объясняется тем, что такие, содержащие асимметрический атом углерода вещества, но не вращающие плоскость поляризации, еще не достаточно изучены в этом отношении.При изучении вращательной способности химических соединений два обстоятельства имеют очень большое значение. Во-первых, оказывается, что одни из веществ отклоняют плоскость поляризации вправо, а другие влево; откуда названия: правовращающих и левовращающих веществ. При этом оказывается дальше, что имеются вещества, например кварц, которые, будучи во всех химических и физических отношениях тождественными, способны в одном видоизменении отклонять плоскость поляризации вправо, а в другом — влево, и притом, при одной и той же толщине слоя, на один и тот же угол, так что если луч света пройдет через две пластинки одинаковой толщины такого вещества: одну из правовращающего видоизменения, а другую из левого, то по выходе из них оказывается поляризованным в той же плоскости, в какой был до вступления в пластинки, т. е. обе пластинки, взятые вместе, оказываются не отклоняющими плоскости поляризации. Можно утверждать, что все оптически деятельные вещества встречаются в природе в двух видоизменениях: право— и левовращающем, причем величина вращения в обоих случаях будет одна и та же. До недавнего времени, однако же, нахождение таких право— и левовращающих видоизменений оптически деятельных веществ было более или менее делом случая. В настоящее время имеются способы, хотя еще не достаточно выработанные, искусственного получения таких видоизменений. Одни из этих способов основаны на различной кристаллизации этих оптически различных видоизменений одного и того же вещества, а другие на том, что некоторые низшие организмы, относящиеся к классу плесеней и грибов, способны усваивать только одно какое-нибудь видоизменение, не трогая другого (см. Ферменты). Так, если мы возьмем оптически недеятельную миндальную кислоту и будем в растворе ее культивировать Penicillium glaucum, то оказывается, что это растение потребляет левовращающее видоизменение, не трогая правого, и по истечении некоторого времени мы получим только это последнее, которое и можем выделить в свободном состоянии. Употребляя вместо него Saccharomyces ellipsoideus и Vibrio, имеем обратный случай: эти организмы потребляют правое видоизменение, не трогая левого. Выделивши в свободном состоянии первое, находим, что оно вполне сходно со вторым и отличается только способностью отклонять плоскость поляризации в противоположную сторону и притом на одну и ту же величину. Смешивая оба видоизменения в равных количествах, получаем оптически недеятельный продукт. Второе обстоятельство, важное при изучении описываемого явления, относится до определения величины его. Как сказано, Био нашел, что угол вращения изменяется пропорционально длине слоя оптически деятельного вещества, но, кроме того, находится в зависимости от плотности последнего. Разделив этот угол на величину последней и на длину слоя оптически деятельного вещества, Био получил величину (?)=?/l?d, (где ? есть угол отклонения, l — длина отклоняющего слоя и d — плотность), постоянную для данного вещества и таким образом характеризующую последнее. Эту величину он назвал удельным вращением или удельной вращательной способностью. Эта именно величина и принимается за меру способности данного вещества вращать плоскость поляризации; она должна быть всегда относима к лучу какого-нибудь определенного цвета, известной длины волны. Всего чаще относят к свету, испускаемому раскаленными парами металла натрия, который отвечает фрауенгоферовой линии D в солнечном спектре (см. Спектральный анализ и Спектр). Полагая l = 1 дециметру, находим более простое выражение, именно (?)=?/d. Определение этой величины нисколько не затруднительно для жидких, однородных веществ, например — скипидара. Но таковых между оптически деятельными веществами немного. Большинство из них принадлежит к числу непрозрачных, твердых тел и изучение их вращательной способности возможно, только переводя их в жидкое состояние, расплавляя их, или растворяя в индифферентном (т. е. оптически недеятельном и химически не изменяющем) веществе. Первый случай (сплавление) представляет огромные затруднения и до сих пор, кроме как при камфаре, не был предметом исследования; второй же способ представляет большие удобства. Первые исследования в этом направлении принадлежат Био. Он нашел, что при одной и той же длине слоя раствора, вращение последнего пропорционально концентрации его, т. е. числу граммов, растворенных в единице объема. Тогда удельное вращение, относя его к 100 весовым частям раствора, будет (?)=100?/l?d?p, где l — длина слоя, d — плотность раствора, p — содержание растворенного вещества в 100 весовых частях раствора, а так как p?d=с = концентрации раствора, т. е. количеству граммов в 100 куб. см раствора, и l=1, то получим более простую формулу (?)=100?/c. Найденная таким образом величина удельного вращения относится, как оказывается, только к данному раствору, а не растворенному веществу, ибо она меняется с концентрацией растворов, обыкновенно возрастая. Для нахождения истинной величины удельного вращения растворенного вещества, необходимо исследовать удельное вращение многих его растворов разной концентрации и, откладывая величины вращений по линии ординат, а величины концентрации по линии абсцисс, составить кривую хода изменения удельного вращения в связи с изменением концентрации. Определяя эту кривую, находят ее иногда прямой, но чаще отрезком параболы или гиперболы; в первом случае ход изменений удельного вращения выразится формулой (?)=A+Bq, a во втором — формулой (?)=A+ Bq+Cq 2 или (?)=A+Bq/(C+q), где A - удельное вращение чистого вещества, B и C — постоянные величины, представляющие увеличение или уменьшение удельного вращения в зависимости от количества растворителя q. Полагая последнее равным 0, получим из приведенных формул удельное вращение чистого вещества. Таким образом были найдены из растворов в разных растворителях величины удельного вращения скипидара, никотина и виннокислого этила и сравнены с полученными при исследовании этих веществ в свободном, жидком состоянии, причем оказалось полное их совпадение. Этот способ определения удельного вращения растворенного вещества представляет, однако, значительные неудобства, не только потому, что требует много времени и работы, но и потому, что растворимость твердых тел в большинстве случаев редко бывает значительна и приходится далеко эксполировать (переходить от слабых растворов к крепким по расчету, а не опыту), ограничиваясь небольшим числом слабых (где q велико) растворов, что резко понижает точность определения \[В этом случае применяется способ, предложенный автором статьи, профессором И. И. Канонниковым, за подробностями которого отсылаем к подлиннику, указанному в конце статьи. Д. Менделеев.\]. Что касается до методов определения величины угла вращения, то они основываются на применении так называемых николевых призм (см. это слово), приготовленных из исландского шпата. Луч света, проходя через кристалл исландского шпата, а именно через плоскость главного сечения, разделяется на два луча, которые оба оказываются поляризованными — один в плоскости главного сечения, другой в плоскости, к ней перпендикулярной. Особым приемом кристаллу исландского шпата дается такая форма, что один из этих лучей исчезает из поля зрения. Такой оптический прибор называется призмой Николя (см. Вращение плоскости поляризации). Если мы будем рассматривать луч света, прошедший через такую призму и, следовательно, поляризованный, с помощью второй такой же призмы, то заметим следующее: если плоскость поляризации второй призмы (называемой анализатором, тогда как первая называется поляризатором) параллельна плоскости поляризации первой, то луч проходит через обе без изменения. Если же вторая призма поставлена так, что плоскость ее поляризации перпендикулярна первой, то луч света, идущий из последней, не проходит через вторую призму, и увидим потемнение поля зрения. В положениях промежуточных часть света проходит через призму и поле зрения проясняется и тем больше, чем угол между плоскостями поляризации обеих призм меньше 90°. Таким образом, если поляризатор стоит неподвижно, анализатор же может вращаться вокруг своей оси, то мы можем установить обе призмы так, что луч света, идущий из какого-нибудь источника (например, от пламени спирта, окрашенного в желтый цвет парами летучих натриевых соединений) через первую призму, не дойдет до нашего глаза и поле зрения будет совершенно темно. Означим эту точку = 0° круга. Вращая анализатор, мы заметим, что поле зрения просветляется и при повороте на 90° имеет наибольшую яркость. При дальнейшем вращении мы найдем, что при 180° опять наступает полное потемнение, затем при 270° опять maximum яркости. Если теперь между обеими призмами, установленными на темноту (0° или 180°), поместим оптически действующее вещество, например раствор сахара в воде, то заметим, что поле зрения несколько прояснилось и без вращения анализатора, т. е. луч света, прошедший через первую призму, изменил направление плоскости, в которой был поляризован после прохождение через призму. Если мы теперь будем вращать анализатор, до наступления прежней темноты, т. е. до тех пор, пока плоскость поляризации его не будет перпендикулярна лучу, вступающему в него, то заметим, что для этого нужно повернуть его на определенный угол, направо или налево от прежнего положения. Этот угол и будет углом вращения плоскости поляризации данного вещества и, смотря по тому, куда вращался анализатор, отличают правовращающие и левовращающие вещества. Наблюдение maximum и minimum просветления поля зрения, однако же, является весьма не точным способом определения величины угла вращения. С целью большей точности, к двум призмам Николя присоединяют еще другие приспособления, имеющие назначением улавливать с большей верностью моменты перекрещивания или совпадения плоскостей поляризации обеих призм. Эти приспособления различны в различных аппаратах, из которых лучшие построены Вильдом, Лораном и Ландольтом. Описание устройства одного из них будет дано в статье Сахарометрия.Определение удельного вращения оптически деятельных веществ нашло себе важное практическое применение в так называемой оптической сахарометрии, т. е. в определении содержания сахара в растворах его по величине удельного вращения последних. Основанием этого способа служат наблюдения Био, что величина удельного вращения растворов сахара пропорциональна концентрации последних. Новейшие исследования показали, что это положение верно только до известной степени и полной пропорциональности нет; но вместе с тем они показали, что величина ошибки, проистекающей отсюда, весьма мала и для обыкновенных практических целей может быть игнорирована и закон Био может считаться точным. Таким образом, определяя величину угла вращения плоскости поляризации, производимого раствором сахара, в трубке известной длины, мы получим возможность точно определить по этой величине и количество сахара, находящегося в растворе, зная величину удельного вращения растворенного вещества. Тогда получим величину концентрации данного раствора из формулы (?)=100?/l?c, определяя c, то есть c=100?/(?)?l. Так, полагая для тростникового caxapa (?)_D=66°50 и l=200, найдем величину концентрации, по величине угла вращения данного раствора, из формулы c=0,752. Более подробные указания см. в статье Сахарометрия.Величина отклоняющей способности органических веществ часто столь для них характерна, что служит к их определению или для характеристики, а потому и приводится при их описании. Так, например, в статьях Белковые вещества, Терпены, Глюкозы и т. п. приводятся величины \[?\]_D, им отвечающие.Литература. Landolt, "Das optische Drehungsverm?gen organischer Substanzen" (1879); Wiedemann и Ebert, "Physikalisches Practicum" (1890); статьи Канонникова в "Журнале физико-химического общества", т. 20, 22, 23; Mascart, "Trait? d'optique" (t. 2, 1891). По оптической сахарометрии: Fr?hling, "Anleitung z. Untersuchung d. f?r d. Zucker-Industrie in Betracht kommenden Rohmaterialien, Producte etc." (4 изд., 1891); Канонников, "Руководство к химическому исследованию питательных веществ" (1891).И. И. Канонников. ?.

Цель работы:изучить явление вращения плоскости поляризации света; осовоить метод определения постоянной вращения растворов оптически активных веществ.

Приборы и материалы: модули: кассета в двухкоординатном держателе 8, два идеальных поляризатора 12, стол поворотный 13, мультиметр; объекты: фотодатчик диодный 38, две кюветы 44 с растворами сахара (с известной и неизвестной концентрациями).

Краткая теория

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вращения плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света (подробнее о поляризации света см. краткую теорию к л.р.№8). К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла (т.е. отсутствует явление двойного лучепреломления).

Классическим объектом для демонстрации вращения плоскости поляризации служит одноосный кристалл. Схема опыта представлена на рис.10.1. Поляризатор и анализатор установлены так, что не пропускают свет (скрещены).

После введения между поляризатором и анализатором пластинки кварца толщиной d свет начинает проходить через данную оптическую систему. Свет распространяется вдоль оптической оси кварца. Повернув анализатор на угол , снова получаем темноту. Опыт даёт , где d – путь луча, пройденный в кристалле и α - удельная постоянная вращения, причем αсильно зависит от длины волны .

В опытах с растворами все выполняется также как и в предыдущем случае, но вместо кварца между поляризаторами вводится кювета с раствором оптически активного вещества. Если обозначить длину кюветы через d, концентрацию вещества через с, то из опыта следует: , где [α] - удельная постоянная вращения для данного вещества. Она также сильно зависит от длины волны ( ) и слабо от температуры раствора.

Опыт показывает, что разные модификации одного оптически активного кристаллического вещества (например, разные образцы кварца) вращают плоскость поляризации вправо или влево (если смотреть навстречу световому лучу). Таким образом, различают правое вращение (по часовой стрелке) и левое вращение (против часовой стрелки). Направление вращения луча (относительно луча) не зависит от направления распространения луча. Поэтому, если луч, прошедший через оптически активный кристалл вдоль оптической оси, отразить зеркалом и заставить пройти через кристалл ещё раз в обратном направлении, то восстанавливается первоначальное положение плоскости поляризации.

Все оптически активные вещества существуют в дух разновидностях – правовращающей и левовращающей. Существуют право- и левовращающий кварц, право- и левовращающий сахар и т.д. Молекулы и кристаллы одной разновидности являются зеркальным отражением молекул и кристаллов другой разновидности (рис.10.2.).

Эксперименты, подобные описанным выше, легли в основу метода определения концентрации оптически активного вещества путем измерения угла поворота плоскости поляризации. Данный метод имеет многочисленные практические приложения — в частности им пользуются для определения концентрации сахара в производственных растворах и биологических объектах (кровь, моча).

Рассмотрим, что произойдет с плоско поляризованной волной, распространяющейся в оптически активной среде. Разложим исходную волну Е на две волны, поляризованные по правому и левому кругу, скорости распространения которых в данном веществе не равны. Очевидно, что время, необходимое каждой волне для прохождения одного и того же отрезка в исследуемой активной среде, окажется различным. Следовательно, векторы Е_пр и Е_лев повернутся на различные углы и . На рис.10.4, иллюстрирующем эти рассуждения, j_пр выбран больше, чем φ_лев .

Для того чтобы результирующее колебание осталось плоско поляризованным, неизбежно должна повернуться плоскость симметрии. Для определения направления колебаний в результирующей плоско поляризованной волне нужно сложить две поляризованные по кругу волны после прохождения ими равного пути в оптически активной среде, то есть найти плоскость симметрии, которая (см. рис. 10.4) должна разделить пополам разность углов и . Отсюда ясно, что плоскость колебаний вектора Е в результирующей плоско поляризованной волне повернется по отношению к направлению колебаний в исходной волне на угол

Нетрудно получить основные соотношения для угла поворота плоскости поляризации в привычных обозначениях электромагнитной теории. Если плоско поляризованная волна описывалась выражением

то аналитическое выражение для волны, поляризованной по кругу, нужно записать в виде

Это ясно из того, что круговое колебание всегда можно получить сложением двух взаимно перпендикулярных колебаний равной амплитуды с разностью фаз . Так как , то появление разности фаз между компонентами Е_х и Е_у эквивалентно умножению одной из них на i, а знак ± соответствует правому или левому вращению.

При определении знака вращения следует иметь в виду, что при правом вращении компонента Е_у опережает Е_х на , т.е. , а при левом вращении Е_у отстает от Е_х на т. е. . Следовательно (учитывая, что ), имеем:

Правое вращение: Левое вращение:

Отсюда вытекает законность разложения плоско поляризованного колебания на два колебания поляризованных по кругу с правым и левым вращением. Для неактивного вещества , и если, например, , то обе равные по величине и противоположные по знаку y-компоненты в сумме дадут нуль.

Теперь учтем сделанное выше предположение, что в активном веществе . Запишем теперь выражение для волны, распространяющейся в активном веществе: x- компонента напряженности электрического поля равна сумме , а y- компонента - сумме . Вместо в(10.1) нужно ввести другую амплитуду , меньшую , так как часть энергии отразилась при входе в среду.

Итак, x- компонента волны в оптически активной среде запишется в виде:

Аналогично для y- компоненты имеем

Здесь множители, выделенные снизу фигурной скобкой, являются проекциями на оси х и у амплитуд суммарного колебания.

Рассмотрение (10.2) и (10.3) показывает, что фазы колебаний и одинаковы. Следовательно, между колебанием вдоль оси х и колебанием вдоль оси у нет сдвига фаз , и в результате сложения этих колебаний получится плоско поляризованная волна. В результате прохождения в активной среде пути z = d плоскость поляризации повернется на угол φ. Из сравнения проекций амплитуды на оси у и х определяем значение угла φ :

Итак можно считать, что в рамках феноменологической электромагнитной теории света вращение плоскости поляризации получило объяснение. Однако

эта теория не способна объяснить, почему скорость волны в правовращающем веществе отлична от ее скорости в левовращающем ( ). Если попытаться ответить на этот вопрос с позиций молекулярной теории, то нужно предположить, что вращение плоскости поляризации связано, с асимметрией строения оптически активного вещества. В случае кристаллов главной причиной различия скоростей следует считать асимметрию внешней формы (отсутствие центра симметрии) — об этом говорит уже упоминавшаяся выше возможность различать кристалл правого и левого кварца по внешнему виду. Для аморфных однородных тел нужно связать исследуемое явление со строением сложных молекул активной среды.

Этот вопрос был подробно рассмотрен М. Борном (1915 г.), который показал, что описанный выше эффект можно объяснить, если учесть взаимодействие электромагнитного поля с веществом в пределах одной молекулы. При построении теории принималось во внимание, что все оптически активные вещества существуют в двух модификациях, характеризующихся правым и левым вращением плоскости поляризации, и рассматривались сложные асимметричные молекулы с пространственной структурой, не имеющие ни центра симметрии, ни плоскости симметрии. Наиболее простая модель такой молекулы — отрезок спирали.

Пусть на такую молекулу, диаметр витка которой равен a, падает плоско поляризованная волна Е = Е_х (рис.10.5). Она вызовет движение зарядов, направленное вдоль оси х. Но если заряды будут двигаться вдоль спирали, то неизбежно возникнет их движение и вдоль оси у. Следовательно, можно говорить об y- компоненте волны в веществе, наличие которой должно привести к отклонению плоскости колебаний от направления Е = Е_x. Расчет должен быть связан с изменением фазы волны в пределах одной молекулы (вместо ωt нужно взять ωt-ka), а его результат покажет, будет ли такое изменение существенно. На первый взгляд этот эффект кажется пренебрежимо малым, так как для оптической области отношение размера молекулы к длине волны порядка , но возможность выявления в эксперименте чрезвычайно малых не позволяет заранее отвергнуть подобное предложение.

Так, например, для модели асимметричной молекулы, изображенной на рис.10.6. будет иметь место поворот плоскости поляризации волны, распространяющейся вдоль оси z, причем величина оказывается зависящей от размера молекулы l.

При проведении расчета предполагается наличие определенных соотношений между электрическими моментами, вызываемыми плоской волной в разных участках (радикалах) изучаемой сложной молекулы, и учитывается изменение фазы волны в её пределах.

В результате расчета находим

где - некоторая константа, а - волновое число. Нетрудно заметить, что при l=0 имеем =0, и плоскость поляризации не вращается.

Порядок выполнения работы

Для проведения работы, необходимо установить на оптической скамье последовательно модуль 12, представляющий собой поляризатор с нониусом, стол поворотный (модуль 13) с закрепленным на нем объектом 44 -кюветой с раствором сахара, второй поляризатор – анализатор (модуль 12) и модуль 8 – кассету в двукоординатном держателе с установленным в нее объектом 38 – фотодатчик диодный. Фотодатчик подключают к мультиметру в режиме измерения постоянного тока (предел измерения 200 мкА). Подготовленная к проведению работы установка показана на рис. 10.7.

Эксперимент

Задание 1. Определение степени поляризации излучения лазера.

1. Установите фотодатчик диодный (объект 38) на оптическую скамью и подключите его к мультиметру в режиме измерения постоянного тока (предел измерения200 μА ). Установите два идеальных поляризатора (модули 12) на оптическую скамью. Ручку поворота излучателя поставьте вертикально. Отъюстируйте лазер по фотодатчику.

2. Скрестите поляризаторы как показано на рис. 10.7 (для удобства измерений установите поворотную шкалу анализатора на 0˚, а шкалу поляризатора на 90˚). Должно наблюдаться затемнение поля зрения (амперметр показывает ноль).

3. Установите кювету (объект 44) с концентрацией C = 0,5 кг/л сахара в растворе на поворотном столике между скрещенными поляризаторами. Должно наблюдаться просветление поля зрения (амперметр показывает силу тока отличную от нуля).

4. Добейтесь повторного затемнения поля зрения, вращая анализатор. Измерьте угол поворота j. Повторите измерения еще 3 раза.

5. По формуле (d – длина кюветы) определите удельный коэффициент вращения a. Результаты занесите в таблицу.

№

j 0

j_ср

a_ср, град м 2 /кг

Da, град м 2 /кг

6. Полученный результат представьте в виде a = a_ср ± Da.

Задание 2. Измерение концентрации сахара в растворе.

1. Уберите с поворотного столика кювету с известной концентрацией сахара, использовавшуюся при выполнении предыдущего задания.

3. Установите кювету (объект 44) с неизвестной концентрацией сахара в растворе на поворотном столике между скрещенными поляризаторами. Должно наблюдаться просветление поля зрения (амперметр показывает силу тока отличную от нуля).

5. По формуле (d – длина кюветы) определите концентрацию сахара С. При расчете используйте значение a, найденное при выполнении предыдущего задания. Результаты занесите в таблицу:

№

j 0

j_ср

С, кг/м 3

DС, кг/м 3

6. Полученный результат представьте в виде С = С_ср ± DС.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются оптически активными?

2. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света при прохождении света через оптически активное твердое тело и через оптически активный раствор?

3. Как можно объяснить явление вращения плоскости поляризации света в кристаллах с позиций волновой теории света?

4. Каков механизм вращения плоскости поляризации света в аморфных телах и растворах?

5. Чем отличаются право- и левовращающие вещества? К какой из этих категорий относился сахар, использованный при выполнении данной работы?

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

Итак, друзья мои, приступим.
Вопросы химзарядки были, разумеется и очевидным образом, связаны с явлением стереоизомерии. Стереоизомеры - это соединения одинакового состава и строения, различающиеся пространственным расположением атомов (или групп атомов) примерно так, как отличаются между собой правая и левая перчатки. То есть, несмотря на все "внешнее" химическое сходство, вам не удастся совместить эти молекулы в пространстве так, чтобы расположение молекулярных групп у них совпало (как не удастся совместить две перчатки, если обе лежат одной и той же стороной вверх).

Пользователи fracorvus и track_max знают о том, что в живых организмах подавляющее большинство соединений присутствует в виде стереоизомеров только одного сорта, поэтому если отразить их в Зазеркалье в их энантиоморфную ("зеркальную") форму, для усвоения организмом (по крайней мере, привычным образом) они окажутся непригодны.

Однако же ни один человек не проявил креативного подхода к делу и так и не высказал рационального предположения о том, где же мы с вами можем обнаружить зазеркальные продукты, и для кого они предназначены.
И это неудивительно, потому что стереоизомерия - явление не такое простое, как может показаться на первый взгляд, да и вопрос был с преизрядным подвохом.

Вот, например, fracorvus при ответе на вопросы употребил термины "левовращающий и правовращающий" (касательно аминокислот, имеющих место быть в наших организмах), имея ввиду тот факт, что стереоизомеры одного и того же соединения вращают плоскость поляризации света в противоположные стороны. И отметил, что все аминокислоты в организме- левовращающие, и отражать их в правовращающие не годится.

А track_max употребил фишеровские обозначения стереоизомеров D и L. Этими буквами (от лат. dextro -правый и laevo-левый) Эмиль Фишер обозначил изомеры глицеринового альдегида, вращающие плоскость поляризации света соответственно вправо и влево, как и положено двум стереоизомерам одного и того же соединения. И по сей день эта номенклатура используется, и в организме все аминокислоты, из которых состоят белки, принадлежат к L-формам, а углеводы (сахара) - к D-формам.

Казалось бы, оба отвечавших таким образом подразумевали одно и то же, и казалось бы, если все вещества определенного класса, например, сахара, принадлежат, к D-форме, то вращать плоскость поляризации света они должны вправо, и если вдруг мы увидим левовращающий углевод, то он есть "зазеркальный продукт" и нам в пищу совершенно не годится.
И вот тут-то и скрывалась закавыка.
Потому что не всякое левовращающее соединение (если оно не глицериновый альдегид) обязательно L, и не всякое соединение с маркировкой D вращает плоскость поляризации света вправо. (Эти буквы указывают на конфигурационное "генетическое" родство соединения с соотв. формой глицеринового альдегида).
Но об этом часто забывают, и потому вы тут и там по интернет-окрестностям можете встретить утверждения о том, что все сахара, которые вы можете обнаружить в организме человека - правовращающие, полагаясь на то, что около названий всех таких сахаров стоит буква D.

А в это время D-фруктоза, которая направляется к вашей печени по воротной вене, недовольно морщит кетогруппу. Она-то знает, что, в отличие от других сахаров, вращает плоскополяризованный свет влево.
И именно поэтому другое ее название - "левулоза". (D-глюкозу, вращающую свет, как положено "по букве" вправо, называют иначе "декстрозой").

Так что мы смело можем считать "правую" фруктозу, вращающую свет влево, "зазеркальным продуктом", и теперь, я так думаю, вы с легкостью сможете сказать, где же это вы видели продукты на фруктозе (не содержащие глюкозы), и для кого они предназначены.
Да, да, это продукты (некоторые) для диабетиков. Хотя фруктозу им прописывают не потому, что она левовращающая, а потому, что этот природный сахар утилизируется в организме, минуя инсулин-зависимые метаболические пути.
Люди, не страдающие диабетом, обычно подобные продукты не употребляют (и правильно делают), так что для них эта еда "зазеркальная". Хотя они так или иначе получают фруктозу (вместе с глюкозой) из обычной сахарозы, поедая привычные незазеркальные конфеты и прочие продукты питания.

***Фруктоза - не единственное вещество, которое может ввести нас в сходное заблуждение. Например, левовращающая молочная кислота также принадлежит к D-ряду, а правовращающая - к L-ряду.

На другом принципе основаны поляризаторы, изготовленные из турмалина, герапатита (сернокислый иод-хинин) и некоторых других кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением обладают еще свойством поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой - дихроизм. Так, в пластинке турмалина толщиной 1мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышедший свет плоскополяризован.

Из мелких кристалликов герапатита выкладывают значительные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации используют электрическое поле. Такие устройства, называемые поляроидами, могут работать как поляризаторы (анализаторы).

6.Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами. Поляриметрия (оптическая активность, постоянная вращения, правовращающие и левовращающие вещества, вращательная дисперсия).

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества [некоторые кристаллы (кварц, киноварь), растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алкалоиды и др.), а также некоторые чистые жидкости (скипидар, никотин)] наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектораиливращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называютсяоптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника Ина систему поляризаторП- анализаторА, которые поставлены параллельно, т.е. их главные плоскости взаимно параллельны. В этом случае наблюдатель увидит светлое пятно (в случае взаимно перпендикулярного расположения – полное затемнение), так как анализатор пропустит свет плоскополяризованный в соответствии с законом Малюса (= 180 0 ) (рис.3.1)

Рис.3.1 Схема опыта.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет не дойдет до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться освещенности. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения освещенности.

Если использовать в опыте свет различной длины волны, то можно обнаружить зависимость угла поворота от длины волны, т.е. дисперсию вращенияплоскости поляризации(вращательную дисперсию).

Кварцевая пластинка толщиной 1ммвращает плоскость поляризации на следующие углы: для красного света -15 0

фиолетового - 51 0 .

Для данной длины волны угол поворота плоскости поляризации пропорционален путиl, пройденному светом в оптически активном веществе: =  l ( закон Био ), где– коэффициент пропорциональности или постоянная вращения, ее принято выражать в угловых градусах на миллиметр.

Аналогичный эффект вращения плоскости поляризации будет наблюдаться, если между поляризатором и анализатором поместить кювету с оптически активным веществом. В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе lи концентрации активного веществас:

 =[ ] c l (2)

где [  ] - величина, называемая удельным вращением.Удельное вращение– это увеличенный в 100 раз угол вращения для столба раствора длиной в 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1 г на 100 мл раствора, при температуре 20С и при длине волны=589 нм. Этозакон Био. Угол вращенияприблизительно обратно пропорционален квадрату длины волны:

где а- постоянная, зависящая от природы вещества.

Читайте также: