Определение удельной постоянной вращения и концентрации сахарного раствора. Теоретический расчет оптического вращения Удельный угол вращения

Оптическое вращение

Оптическим вращением называется способность вещества вращать (поворачивать) плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света. Этим свойством обладают некоторые вещества, которые называются оптически активными. В настоящее время известно много таких веществ: кристаллические вещества (кварц), чистые жидкости (скипидар), растворы некоторых оптически активных веществ (соединений) в неактивных растворителях (водные растворы глюкозы, сахара, молочной кислоты и другие). Все они делятся на 2 типа:

• первый тип: вещества, которые в любом агрегатном состоянии оптически активны (камфора, сахара, винная кислота);
• второй тип: вещества, которые активны в кристаллической фазе (кварц).

Эти вещества существуют в правой и левой формах. Оптическая активность разных форм веществ, относящихся ко второму типу, имеет равные по абсолютной величине значения и разные знаки (оптические антиподы); они идентичны и неразличимы. Молекулы левой и правой форм веществ первого типа по своему строению представляют зеркальные отражения, они отличаются одна от другой (оптические изомеры). При этом чистые оптические изомеры друг от друга не отличаются по своим химическим и физическим свойствам, но отличаются от свойств рацемата – смеси оптических изомеров в равных количествах. Так, например, для рацемата значение температуры плавления ниже, чем у чистого изомера.

Применительно к веществам первого типа деление на «правый» (d) и «левый» (l) условно и это не указывает направление вращения плоскости поляризации, а для веществ второго типа это означает непосредственно направление вращения: «правовращающие» (вращающиеся по часовой стрелке и имеющие значения угла α со знаком «+») и «левовращающие» (вращающиеся против часовой стрелки и имеющие значения угла α со знаком «-»). Рацемат, содержащий левовращающие и правовращающие оптические изомеры, оптически не активен и обозначается знаком «±».

Поляриметрия

Поляриметрия – оптический метод исследований, который основан на свойстве веществ (соединений) поворачивать плоскость поляризации после прохождения через них плоскополяризованного света, то есть световых волн, в которых электромагнитные колебания распространяются только в одном направлении одной плоскости. При этом плоскостью поляризации является плоскость, которая проходит через поляризованный луч перпендикулярно направлению его колебаний. Сам термин «поляризация» (греч. polos, ось) означает возникновение направленности световых колебаний.

Когда поляризованный луч света пропускают через оптически активное вещество, тогда плоскость поляризации изменяется и поворачивается на некоторый определенный угол α – угол вращения плоскости поляризации. Величина этого угла, выраженная в угловых градусах, определяется с помощью специальных оптических приборов – поляриметров. Для измерений используют поляриметры различных систем, но все они основаны на одном принципе работы.

Основные части поляриметра: поляризатор – это источник поляризованных лучей и анализатор – это прибор для их исследования. Эти части представляют собой специальные призмы или пластинки, которые изготавливают из различных минералов. Для измерения оптического вращения луч света от лампы внутри поляриметра сначала проходит через поляризатор для получения определенной ориентации плоскости поляризации, и затем уже поляризованный луч света проходит через исследуемый образец, который размещают между поляризатором и анализатором. Если образец является оптически активным, то его плоскость поляризации поворачивается. Далее поляризованный луч света с измененной плоскостью поляризации попадает в анализатор и не может полностью пройти через него, происходит затемнение. А чтобы луч света прошел через анализатор полностью, его необходимо повернуть на такую величину угла, которая будет равна величине угла вращения плоскости поляризации исследуемым образцом.

Значение угла вращения конкретного оптически активного вещества зависит от его природы, от его толщины слоя, от длины волны света. Значение угла α для растворов также зависит от концентрации содержащегося вещества (оптически активного) и от природы растворителя. Если заменить растворитель, то может измениться угол вращения как по величине, так и по знаку. Угол вращения зависит и от температуры исследуемого образца, поэтому для точных измерений, при необходимости, образцы термостатируют. При повышении температуры с 20°С до 40°С увеличивается оптическая активность. При этом в большинстве случаев влияние температуры, при которой производят измерение, незначительно. Условия, при которых проводят определения (при отсутствии дополнительных указаний): 20°С, длина волны света 589,3 нм (длина волны линии D спектра натрия).

Поляриметрическим методом проводят испытания по оценке чистоты веществ, являющихся оптически активными, и устанавливают их концентрацию в растворе. Чистоту вещества оценивают по величине удельного вращения [α], которая является константой. Значение [α] – это угол вращения плоскости поляризации в конкретной оптически активной среде толщиной слоя 1 дм при концентрации этого вещества 1 г/ мл, при 20°С и длине волны 589,3 нм.

Расчет [а] для веществ, которые находятся в растворе:

Для жидких веществ (например, для некоторых масел):

Теперь, измерив угол вращения, зная величину [α] конкретного вещества и длину ℓ, можно вычислить в исследуемом растворе концентрацию вещества (оптически активного):

Надо отметить, что величина [α] является постоянной, но только в определенном интервале концентраций, которым и ограничивается возможность использования данной формулы.

Применение поляриметрии в контроле качества

Поляриметрический метод исследований применяется для идентификации веществ, проверки их чистоты и количественного анализа.

В фармакопейных целях метод используется для определения количественного содержания и подлинности веществ в лекарственных средствах, а также применяется как испытание на чистоту, подтверждение отсутствия оптически неактивных посторонних веществ. Метод поляриметрии регламентирован в ОФС 42-0041-07 «Поляриметрия» (Государственная Фармакопея РФ XII издание, часть 1).

Важность определения оптической активности для лекарственных средств связано с особенностью оптических изомеров оказывать на организм человека различное физиологическое действие: биологическая активность левовращающих часто сильнее правовращающих изомеров. Например, некоторые лекарственные средства, которые получают синтетически, существуют в виде оптических изомеров, но при этом биологической активностью обладают только в виде левовращающего изомера. Например, лекарственное средство левометицин биологически активен только в левовращающей форме.

В производстве косметической продукции поляриметрия применяется в контроле качества для анализа и определения в сырье и продукции концентрации веществ, являющихся оптически активными, а также их идентификации и чистоты. Этот метод имеет значение, например, при анализе эфирных масел, т.к. биохимическое и физиологическое действие их оптических изомеров различно, есть различия в запахе, вкусе и фармакологических свойствах. Так, (-)-α-бисаболол в ромашке лекарственной оказывает хорошее противовоспалительное действие. Но выделенный из тополя бальзамического (+)-α-бисаболол и полученный синтетически (±)-бисаболол (рацемат) оказывают аналогичное действие, но в значительно меньшей степени.

Что касается запаха, то у одного вещества оптические изомеры отличаются как качеством, так и силой запаха: левовращающие изомеры чаще обладают более сильным ароматом и качество запаха воспринимается как более приемлемое, в то время как правовращающие иногда вообще не имеют аромата. Это имеет важное значение при производстве парфюмерно-косметической продукции. Так, (+)-карвон в эфирном масле тмина и (-)-карвон в эфирном масле мяты обладают совершенно разным запахом.

В состав эфирных масел входят многие компоненты, обладающие свойством оптической активности с разным углом вращением, которые в результате смешения компенсируют друг друга, и тогда эфирное масло имеет результирующее оптическое вращение (оптическое вращение конкретного эфирного масла). Например, угол вращения (по справочным данным) для эфирного масла эвкалипта находится в пределах от 0° до +10°, для эфирного масла лаванды – в пределах от -3° до -12°, для эфирного масла пихты – в пределах от -24° до -46°, для эфирного масла укропа – в пределах от +60° до +90°, для эфирного масла грейпфрута – в пределах от +91° до +92°. При идентификации важно знать, что синтетические эфирные масла не обладают свойством оптической активности, что отличает их от натуральных.

Измерения проводят по ГОСТ 14618.9-78 «Масла эфирные, вещества душистые и полупродукты их синтеза. Метод определения угла вращения и величины удельного вращения плоскости поляризации».

В качестве примера применения поляриметрии в пищевой промышленности можно привести контроль качества меда. Как известно, этот продукт в своем составе содержит моносахариды, редуцирующие олигосахариды, некоторые гидроксикислоты и другие, имеющие различное строение молекул и пространственное расположение групп атомов в них. Эти составляющие компоненты являются оптически активными и их наличие как раз и обуславливает способность изменять плоскость поляризации. Содержащиеся в составе меда различные углеводы (фруктоза, глюкоза, сахароза и другие) вращают плоскость поляризации по-разному, и их различная оптическая активность дает представление о качестве меда. При этом выявляется фальсифицированный мед, например, сахарный мед, имеющий удельное вращение в пределах от +0,00° до -1,49° в отличие от цветочного меда, имеющего удельное вращение в среднем -8,4°. Также можно установить зрелость меда: в меде хорошего качества высокое содержание фруктозы или глюкозы и низкое содержание сахарозы. Измерения проводят по ГОСТ 31773-2012 «Мед. Метод определения оптической активности».

Поляриметрический метод испытаний ценен своей высокой точностью, он прост и занимает мало времени.

На контрактном производстве ООО «КоролёвФарм» в процессе контроля качества сырьевых компонентов и готовой продукции косметической, пищевой продукции и БАД к пище испытания по определению концентрации и чистоты некоторых веществ, обладающих свойством оптической активности, проводятся на поляриметре круговом СМ-3. Данный прибор позволяет измерять угол вращения плоскости поляризации прозрачных и однородных растворов и жидкостей. Например, определение концентрации сахара при производстве сиропов . Также прибор применяется в процессе исследовательских работ при разработке новых видов продукции. Данный поляриметр позволяет измерять угол вращения в пределах 0°-360° с погрешностью не более 0,04°. Поверка прибора в органах государственной метрологической службы с установленной периодичностью обеспечивает точность измерений, что имеет ключевое значение в процессе контроля качества при производстве и выпуске качественной и безопасной продукции.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Поляриметрия ОФС.1.2.1.0018.15
Взамен ГФ XII ,ч.1, ОФС 42-0041-07

Оптическое вращение – свойство вещества вращать плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света.

В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество, плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим и перед его названием ставят знак (+); если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим и перед его названием ставят знак (–).

Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой α. Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины пути поляризованного света в оптически активной среде (чистом веществе или растворе) и длины волны света. Для растворов величина угла вращения зависит от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Величина угла вращения прямо пропорциональна длине пути света, т. е. толщине слоя оптически активного вещества или его раствора. Влияние температуры в большинстве случаев незначительно.

Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют величину удельного вращении [α].

Удельное оптическое вращение представляет собой угол вращения α плоскости поляризации монохроматического света при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм), выраженный в градусах, измеренный при температуре 20 ºС, рассчитанный для толщины слоя испытуемого вещества 1 дм и приведенный к концентрации вещества, равной 1 г/мл. Выражается в градус-миллилитрах на дециметр-грамм [(º) ∙ мл ∙ дм -1 ∙ г -1 ].

Иногда для измерения используют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм.

При определении [α] в растворах оптически активного вещества необходимо иметь в виду, что найденная величина может зависеть от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества.

Замена растворителя может привести к изменению [α] не только по величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения, необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию раствора.

Удельное вращение определяют в пересчете на сухое вещество или из высушенной навески, что должно быть указано в фармакопейной статье.

Измерение угла вращения проводят на поляриметре, позволяющем определить величину угла вращения с точностью ± 0,02 ºС при температуре (20 ± 0,5) ºС. Измерения оптического вращения могут проводиться и при других значениях температуры, но в таких случаях в фармакопейной статье должен быть указан способ учета температуры. Шкалу обычно проверяют при помощи сертифицированных кварцевых пластинок. Линейность шкалы может быть проверена при помощи растворов сахарозы.

Оптическое вращение растворов должно быть измерено в течение 30 мин с момента их приготовления; растворы или жидкие вещества должны быть прозрачными. При измерении прежде всего следует установить нулевую точку прибора или определить величину поправки с трубкой, заполненной чистым растворителем (при работе с растворами), или с пустой трубкой (при работе с жидкими веществами). После установки прибора на нулевую точку или определения величины поправки проводят основное измерение, которое повторяют не менее 3 раз.

Для получения величины угла вращения α показания прибора, полученные при измерениях, алгебраически суммируют с ранее найденной величиной поправки.

Величину удельного вращения [α] рассчитывают по одной из следующих формул.

Для веществ, находящихся в растворе:

l – толщина слоя, дм;

c – концентрация раствора, г вещества на 100 мл раствора.

Для жидких веществ:

где α – измеренный угол вращения, градусы;

l – толщина слоя, дм;

ρ – плотность жидкого вещества, г/мл.

Измерение величины угла вращения проводят для оценки чистоты оптически активного вещества или для определения его концентрации в растворе. Для оценки чистоты вещества по уравнению (1) или (2) рассчитывают величину его удельного вращения [α]. Концентрацию оптически активного вещества в растворе находят по формуле:

Поскольку величина [α] постоянна только в определенном интервале концентраций, возможность использования формулы (3) ограничивается этим интервалом.

Удельное вращение плоскости поляризации оптически активным веществом определяется как угол вращения, отнесенный к единице толщины просвечиваемого материала:

Если угол вращения измеряется в угловых градусах, а толщина слоя l - в мм, то размерность удельного вращения составит [град/мм].

Соответственно удельное вращение оптически активной жидкости (не раствора) с плотностью с [г/см 3 ] определяется выражением

Так как оптическая активность жидкостей намного меньше оптической активности твердых тел, а толщина слоя жидкости измеряется в дециметрах , то удельное вращение жидкостей имеет размерность [град·см- 3 /(дм·г)].

Удельное вращение раствора оптически активного вещества в оптически неактивном растворителе с концентрацией С (г/100 мл) раствора определяется по формуле

В органической химии как разновидность удельного вращения используется также величина молярного вращения.

Определение концентрации растворенных оптически активных веществ по результатам измерения угла вращения б [град] при данной толщине слоя l [дм] для определенной длины волны [нм] производится по уравнению Био (1831 г.):

Закон Био практически всегда выполняется в области низких концентраций, в то время как при высоких концентрациях имеют место существенные отклонения

Мешающие факторы при поляриметрических измерениях

При каждом преломлении и отражении от поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствительность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.

Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.

Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы составляет 0,3%/нм в области видимого света, заставляет использовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1/10000), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных полос возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается.

При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.

При контроле быстротекущих непрерывных потоков растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости. поляризация свет вращение оптический

2. До включения прибора в сеть установите минимальную чувствительность прибора, вращая ручку «Установка 100» против часовой стрелки до упора.

3. Проверьте соответствие нулевого положения стрелки микроамперметра, при необходимости отрегулируйте его винтом 7 корректора (рис. 3).

4. Введите зеленый поглотитель «3» рукояткой «Поглотители».

5. Включить прибор в сеть.

6. Откройте крышку 1 фотоэлектроколориметра и достаньте кюветодержатель.

7. Извлеките кювету «Растворитель», заполните ее на 2/3 объема водой и установите на место. Установите кюветодержатель в фотоколориметр. Крышку кюветной камеры не закрывайте.

8. Рукояткой 3 «Кюветы» расположите кювету с растворителем на пути светового потока.

9. Установите нуль по шкале микроамперметра рукояткой 5 «Установка 0».

10. Закройте крышку 1 кюветного отделения и рукояткой 4 «Установка 100» установите стрелку микроамперметра на сотое деление.

11. Откройте крышку 1 кюветной камеры и достаньте кюветодержатель. Извлеките пустую кювету, заполните ее на 2/3 объема исследуемым раствором наименьшей концентрации и установите на место.

N в таблицу 1.

14. Откройте крышку 1 кюветной камеры и достаньте кюветодержатель. Извлеките кювету с исследуемым раствором и слейте его в баночку с раствором той же концентрации. Протрите кювету, заполните ее на 2/3 объема следующим раствором и установите на место.

15. Поставьте кюветодержатель в фотоколориметр. Рукояткой 3 «Кюветы» расположите кювету с исследуемым раствором на пути светового потока. Закройте крышку кюветной камеры.

16. Произведите отсчет по шкале микроамперметра 6 и запишите N в таблицу 1.

17. Проделайте пункты 14 – 16 с остальными растворами.

18.Проведите еще две серии опытов по пунктам 14 – 16 со всеми растворами, начиная с раствора наименьшей концентрации. Не забудьте слить последний раствор.

19.Выключите прибор из сети.

Обработка результатов измерений

	1. По значениям				N для всех опытов определите					Используя
формулу (9). Запишите результаты в таблицу 1.
	2. По таблице 2 определите D для всех (см. прим.) и ее сред-
нее значение, результаты занесите в таблицу 1.
										Таблица 2
	Примечание. В первом столбце таблицы даны значения оптиче-
ской плотности			D через 0,1, а в верхней строке помещены ее сотые

доли. На пересечении строки со столбцом приводятся соответствующие значения коэффициента пропускания. При отыскании значений оптической плотности, соответствующих значениям коэффициентов пропускания, меньших 0,081, сначала увеличьте данный коэффициент пропускания в 10 раз, затем найдите значение оптической плотности, соответствующее полученному коэффициенту пропускания, и к этому значению прибавьте единицу.

3. Рассчитайте для всех значений D ее абсолютную погрешность по формуле D | D ср D изм | , найдите среднее значение D ,

результаты занесите в таблицу 1.

Примечание. Если в результате расчета абсолютной погрешности оптической плотности получается нуль, то примите D 0, 01 .

4. По средним значениям оптической плотности D ср для всех

известных концентраций с учетом абсолютной ее погрешности постройте градуировочный график D f (C ) .

5. Отметьте на графике точку, соответствующую среднему значению оптической плотности раствора неизвестной концентрации.

6. Отметьте на графике интервал средней абсолютной погрешности оптической плотности раствора неизвестной концентрации.

7. Определите по графику значение концентрации раствора C х ,

опустив перпендикуляр на соответствующую координатную ось.

8. Определите по графику абсолютную погрешность концентрации раствора (см. пример на стр. 15).

9. Определите относительную погрешность определения концентрации неизвестного раствора по формуле:

Контрольные вопросы

1. Что называется явлением поглощения света веществом?

2. Что такое интенсивность света? В каких единицах она изме-

3. Каким законом описывается явление поглощения света веществом? Сформулируйте его и запишите математически.

4. В чем заключается физический смысл коэффициента поглощения? В каких единицах он измеряется и как обозначается?

5. Что называется коэффициентом пропускания? В каких единицах он измеряется и как обозначается?

6. Что такое оптическая плотность? В каких единицах она измеряется и как обозначается?

7. Сформулируйте и запишите закон Бера.

8. Сформулируйте и запишите закон Бугера-Ламберта.

9. Изобразите оптическую схему фотоэлектроколориметра и расскажите назначение его основных частей.

10. В чем заключается метод определения концентрации вещества в растворе фотоэлектроколориметром.

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ

Цель работы: изучить общие закономерности поляризации света; ознакомиться с устройством и принципом работы сахариметра; определить концентрацию сахара в растворе и удельную постоянную вращения сахара.

Оборудование : сахариметр, кюветы с растворами сахара.

Основные теоретические сведения

Световое излучение является частью широкого спектра электромагнитных волн. Электромагнитной волной называется переменное магнитное и электрическое поля, взаимно порождающих друг друга и распространяющаяся в пространстве. Из электромагнитной теории света следует, что световые волны поперечны . В каждой точке на линии распространения такой волны, перпендикулярно направлению еѐ

распространения (поперѐк)	совершают колебания две векторные ха-
рактеристики : напряженность		электрического поля				индукция
					E и
магнитного поля B . Векторы E		и B взаимно перпендикулярны между
собой (рис. 1).
Вектор напряженности электрического поля называют световым
			вектором , так как фи-
			зиологическое,
			мическое,		фотоэлектри-
			ческое и другие действия
				вызываются коле-
				человека
Рис. 1. Схема электромагнитной волны			воспринимает
			электрическую

ляющую электромагнитной световой волны.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов источника света. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными ко-

Рис. 2. Колебания светового вектора в естественном (а) и поляризованном (б) свете

лебаниями светового вектора. Свет со всевозможными направлениями колебаний светового вектора называется естественным (рис. 2 а ).

Солнце, лампы накаливания, ртутные лампы, лампы дневного света являются источниками естественного света. Свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены ка- ким-либо образом, называется по-

ляризованным (рис 2 б) . Если ко-

лебания светового вектора происходят только в одной плоскости,

свет называют плоскополяризо-

ванным . Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, называется плоскостью по-

ляризации (рис.3).

Поляризация света происходит при отражении света от поверхности диэлектриков, при преломлении в них, а также при прохождении света через некоторые кристаллы (кварца, турмалина, исландского шпата). Эти вещества, названные поляризаторами (поляроидами ), пропускают колебания, параллельные только одной плоскости (плоскости поляризации), и полностью задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости.

При попадании естественного света на границу диэлектриков (рис. 4) преломленный и отраженные световые волны оказываются частично поляризованными.

Степень поляризации отраженного луча меняется при изменении угла па-

дения. Существует угол

Рис. 3. Поляризованная волна и плоскость поляризации

Рис. 4. Поляризация света при отражении и преломлении

падения, при котором отраженный луч оказывается полностью поляризованным, а преломленный максимально возможно. Этот угол падения называется углом полной поляризации или углом Брюстера α Бр .

Угол Брюстера можно определить по одноименному закону Брюстера : если угол падения равен углу Брюстера, то

отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, при этом тангенс угла полной поляризации равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой:

Бр n 1

где n 2 и n 1 – абсолютные показатели преломления второй и первой сред соответственно.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, поэтому поляризованный свет обнаруживается по явлениям, свойственным только ему. Поляризованный свет можно определить при помощи обычного поляризатора. Поляризаторы, предназначенные для исследования поляризованного света, называются анализаторами, т.е. один и тот же поляроид можно использовать и как поляризатор, и как анализатор.

Поляризация света в поляроидах подчиняется закону Малюса: если естественный свет проходит через два поляризующих прибора, плоскости поляризации которых располагаются друг к другу под углом, то интенсивность света, пропущенного такой системой (рис. 5) будет пропорциональна cos2 , при этом в первом поляризаторе свет теряет половину своей интенсивности:

			I ест cos 2	I 0 cos2 ,

где I – интенсивность поляризованного света, прошедшего поляризатор и анализатор;

I ест – интенсивность естественного света;

I 0 – интенсивность поляризованного света, прошедшего поляризатор; α – угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.

Рис 5. Прохождение света через систему поляризатор-анализатор

Если плоскости поляризации анализатора и поляризатора параллельны (=0, 2), то из закона Малюса следует, что через анализатор проходит свет максимально возможной интенсивности. Если плоскости поляризации анализатора и поляризатора перпендикулярны (= /2, 3 /2), то через анализатор свет проходить не будет совсем.

Интенсивность света не имеет точного определения. Этот термин применяют вместо терминов световой поток, яркость, освещенность и др. в тех случаях, когда несущественно их конкретное содержание, а нужно подчеркнуть лишь большую или меньшую их абсолютную величину. В оптике чаще всего интенсивностью света называют мощность излучения через поверхность единичной площади, т. е. энергию излучения, проходящую за единицу времени через поверхность единичной площади. В этом случае единица интенсивности в СИ: =1 Вт/м2 (ватт на квадратный метр ).

При прохождении поляризованного света через некоторые кристаллы (кварц, киноварь и другие), а так же через растворы сахара, мочевины, белков плоскость колебаний поворачивается на некоторый угол. Это явление называется вращением плоскости колебаний поля-

ризованного света . Вещества, вращающие плоскость поляризации,

называются оптически активными.

Для большинства оптически активных кристаллов обнаружено существование двух модификаций, осуществляющих вращение плоскости поляризации по часовой стрелке (правовращающие) и против (левовращающие) для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине раствора и концентрации оптически активного вещества:

0 l C ,

где о – удельная постоянная вращения; l – толщина раствора;

C – концентрация оптически активного вещества.

Физический смысл удельной постоянной вращения заключается в том, что она показывает, на какой угол поворачивает плоскость поляризации оптически активное вещество единичной концентрации при прохождении светом единичной длины. В общем случае она зависит от температуры раствора и от длины волны проходящего через раствор света.

Единица измерения удельной постоянной вращения в СИ: [φ 0 ]=1

рад/м∙% (радиан на метр-процент).

В производстве широко используется Международная сахарная шкала, в которой 100 S=34,62 º угловым. С учетом этого единица измерения удельной постоянной вращения может быть представлена в виде: [φ 0 ]=1 S /м∙% (градус сахарной шкалы на метр-процент ).

Обоснование метода

Явление вращения плоскости колебаний поляризованного света используется для определения концентрации оптически активного вещества в растворах при помощи приборов, называемых поляриметрами . Поляриметры, шкала которых проградуирована в единицах Международной сахарной шкалы, называются сахариметрами .

Определение концентрации растворов сахара при помощи поляриметров и сахариметров применяется при исследованиях в сельском хозяйстве, в лабораториях химической, пищевой, нефтяной промышленности.

Простейший поляриметр (рис. 6) состоит из двух поляризаторов, источника света и устройства для измерения угловых величин.

Рис. 6. Схема простейшего поляриметра

Поляризаторы перед началом измерений устанавливают таким образом, чтобы их плоскости поляризации были взаимно перпендикулярны. При этом свет через систему поляризатор-анализатор не проходит, и наблюдатель видит темноту. Если между двумя поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Это происходит потому, что активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, вышедшего из первого поляризатора на угол φ . В результате, часть света проходит анализатор, и наблюдатель может это заметить. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть анализатор против направления вращения плоскости поляризации на угол равный углу вращения φ. Угол поворота анализатора легко поддаѐтся измерению. Зная удельную постоянную вращения вещества и толщину раствора оптически активного вещества, можно по формуле 3 определить концентрацию раствора.

Часто при измерениях концентрации оптически активных веществ в растворах удельная постоянная вращения неизвестна. В этом случае взяв раствор известной концентрации С изв этого же вещества, определяют поляриметром угол поворота плоскости поляризации этим раствором изв , а удельную постоянную вращения о вычисляют из формулы (3):

	С изв

Для нахождения концентрации неизвестного раствора С х , с помощью поляриметра определяют угол вращения плоскости поляризации света этим раствором х . Используя формулы (3) и (4), при условии равенства толщины растворов l , определяют С х по формуле:

C x C изв

При таком определении концентрации неизвестного раствора, как видно из формулы (5), знание численного значения удельной постоянной вращения и толщины слоя, вращающего плоскость поляризации вещества, необязательно.

Описание установки

В работе для определения удельной постоянной вращения сахара и его концентрации в растворе используется сахариметр универсальный СУ-4. Принципиальная схема сахариметра представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная схема полутеневого сахариметра

Исследуемое вещество 5 помещается между полутеневым поляризатором, состоящим из двух половин 3 и 4, и анализатором 6. Пропускание анализатора меняется в соответствии с законом Малюса при изменении угла между плоскостью поляризации анализатора 6 и плоскостью поляризации падающего на него света.

Использование полутеневого поляризатора 3 и 4 обусловлено тем, что установка обычного поляризатора на темноту не может быть осуществлена достаточно точно. В полутеневых поляризаторах произ-

Рис. 8. Вид поля зрения в саха- водится установка не на темноту, а риметре с полутеневым поля- на равенство освещенностей двух ризатором половин полей зрения I и II (рис. 8а ). Глаз человека очень чувствителен к нарушениям равенства

освещенностей двух соседних полей (рис. 8 б , в ), поэтому с помощью полутеневого устройства положение плоскости поляризации может быть установлено с гораздо большей точностью, чем путем установки

поляризатора на темноту.

Многие вещества обладают свойством отклонять плоскость поляризациии при прохождении через них прямолинейно поляризованного света; это свойство называют оптической активностью. Измерение оптической активности используется в фармакопейных целях главным образом для установления подлинности вещества.

Оно может также применяться как испытание на чистоту (отсутствие оптически неактивных посторонних веществ) и как метод количественного опреде- .ления.

Оптическое вращение

Оптическое вращение - это угол, на который отклоняется плоскость поляризации при прохождении поляризованного света через слой жидкости. Вещества считаются правовращающими или левовращающими в зависимости от того, вращается ли плоскость поляризации по часовой стрелке или против нее, что устанавливается наблюдением в направлении источника света. Вращение вправо обозначается (+), а вращение влево (-).

В Международной фармакопее оптическое вращение (а) выражается в угловых градусах. В системе единиц СИ угол оптического вращения выражается в радианах (рад).

Оптическое вращение измеряют в слое жидкости подходящей толщины при длине волны, указанной в статье. Если указана D-линия спектра натрия, следует использовать линию спектра натрия с длиной волны 589,3 нм (средняя величина для дублета при 589,0 нм и 589,6 нм). Часто также используют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм. Если указана длина волны, лежащая в ультрафиолетовой области, необходимо применять фотоэлектрический поляриметр.

Измерение оптического вращения следует проводить при температуре, указанной в статье, обычно при 20-25 °С. Некоторые вещества имеют большой температурный коэффициент. поэтому необходимо особо проследить за тем, чтобы были соблюдены указанные температурные условия.

Удельное оптическое вращение (удельное вращение)

Удельное оптическое вращение жидкого вещества - это угол вращения, измеренный, как указано в статье, вычисленный в пересчете на слой толщиной 100 мм и разделенный на относительную плотность (удельную массу), измеренную при температуре, при которой определено вращение.

Удельное оптическое вращение твердого вещества - это угол вращения, измеренный, как указано в статье, и вычисленный в пересчете на слой толщиной 100 мм раствора, содержащего 1 г вещества в 1 мл.

10 000а 10 000а

Удельное вращение =

““ наблюдаемое вращение, / - длина наблюдаемого слоя оягтп’ппо 7исло праймов вещества, содержащееся в 100 мл веш?™ ^ относительная плотность и р - число граммов Щ а, содержащееся в 100 г раствора.

В Международна Ф«Р-^ щение выражается как ^ указываются растворитель,

на волны. Для ™еР^"Х В(™ У 0бщие указания, касаю- если это не вода, и концен Р ~L и приведенные выше для щиеся ДЛИН вол" " Те“ак^е Относятся к измерению удель-

ГоГГ„™есв„Г™™„„я. в

м2-рад/моль.

^Оптическое вращение измеряют при помощи периметра.

Нулевая точка вещестГГпри Наполненной опре-

деленньщ5^растворителем Поляриметр

Обычно фармакопейным целям уд ппго"и обеспечиваю-

потребоваться поляриметр с точностью измериия До 0^1 вращения утла и обеспечивают ту же в

продажеРприборыДобычно

ИГс^Тующесо НСТРЧ.

НИКфотоэлектрические поляриметры: если статья предписыва-

ГолТуГ’фот^ точность не менее 0,01 .

Измерение оптического Вращения

тичгс^ого°в^а^ения следует ^ч^ть^римденныТни^ общие

УКао“и”еские элементы прибора дол^ы ^шь„безукориз-

Г„~рД““й волны 546,1 нм. для ноляри-

метров, имеющих другую конструкцию, в качестве фильтров можно использовать кюветы, содержащие соответственна окрашенные жидкости. u

Степень точности и воспроизводимости наблюдений должна быть такой, чтобы разность между повторными изменениями или между наблюдаемой и истинной величиной вращения (последняя устанавливается калибровкой шкалы по ляр.иметра с подходящими стандартами) не превышала Ч

РещесВтваа’ ПРИВЄДЄНН0Г0 В Статье дл* вращения испытуемою

Трубки поляриметра следует заполнять таким образом чтобы в них не образовывались и не оставались пузырьки воздуха, которые мешают прохождению луча света Влияние пузырьков уменьшается, если использовав трубку у КОТо рои с одного конца расширено отверстие. Однгшо по/напол нении трубок с одинаковым отверстием тякну ° ,Р ЗПОЛ" ро- и микрозрубки, следует

предосторожности. соответствующие меры

Закрывая трубки, имеющие съемные оконпа г nnn „ ками и колпачками, последние следует затягивать лишь аД" столько, насколько это нужно чтобГжт! шь На‘

валась между оконцем и самой трубкої и^ ”Є Просачи- ние на оконце может вызвать Избыточное давле-

помехам при измерении При ппП?!РМаЦИЮ’ ЧТ° пРив°Дит к щения веществ с Низким Р пределении оптического вра-

освобождать колпачки и затягиваю мінова™ желательно довательными Отсчетами ПРИ СНЯТИИ леса между после- вратцения, а также при нс ■ Ятии воказании оптического НО устанавливаїот различия eR°roJa4Ke" Таыш о6Разом обы,-

формацией ОТ ОКОТцГ П^те ""”Х- 0бУ“ОВЛеННЫХ де-

ЩУ^подстройку ДЛЯ устранения шмех°ИЗВОДЯТ соответствУЮ-

потери при высушивании0 водыРштиДеНЫ НОрмы в отн°шении ля, требования, касающиеся ппти СОДеРжания растворите- «ого вращения, относятся к вьш-,4”0 Вращения и удель- не содержащему раствопителя вушенномУ> безводному или Результатов Пр« «ведении

воды или растворителя и потепи Ь В° внимание содержание ленные методом, указанным в сїатьТ ВЫсушнвании- опреде.

ПЫ пепЄСТВО’ ВЗВеШНВа10Т подходя-

Прибавляют растворитель в.^ТІ"сеТеТжГ^мїїки,

КдаиТли “утаротации." Во время опыта поддерживают тре-

6yeKTBemSPny(SSSer собой жидкость, доводят его температуру!6если необходимо, до требуемой и переносят

снимают не"менее 6 показаний наблюдаемого вращения їри требуемой температуре. Берут ’ £!

гя растворителем и проводят равное число измерении. Если ЧЕЕоГ^йЪ-: Нулевая1 „ГрГаТр^Г-

вычитают из знак или прибавляют, если

S™ иммт противоположный знак; таким образом получают

скорректированную величину наблюдаемого оптического вра-

«и используется фотоэлектрический поляриметр, В за- висимотти Г™Упа прибора снимают меньшее число пока- заний.