Поляриметрия

Поляриметрический метод основан на свойстве некоторых веществ изменять направление поляризованных лучей света.

Вещества, обладающие свойством изменять направление ко­лебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически анизотропными, или оптически активными, в отличие от оптически изотропных, или неактивных, которые этих изменений не вызывают.

Оптическая активность веществ обусловлена особенностями строения кристаллической решетки – в этом случае вещества проявляют оптическую активность только в твердом кристаллическом состоянии, или особенностями строения молекул – оптическая активность таких веществ проявляется только в растворах.

К веществам последней группы относятся главным образом такие органические вещества, как сахароза, фруктоза, глюкоза, винная кислота. Поляриметрический метод разработан для количественного определения веществ именно этой группы.

У поляризованного луча, пропущенного через слой раствора оптически активного вещества, плоскость поляризации оказывается повернутой на некоции. Плоскость, проходящая через поляризованный луч перпен­дикулярно направлению его колебаний, называется плоскостью поляризации.

Угол поворота плоскости поляризации зависит от природы вещества, концентрации его в растворе, толщины слоя раствора, через который проходит поляризованный луч, а также длины волны поляризованного луча и температуры.

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением, под которым понимают угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении поляризованного луча через раствор, в 1 мл которого содержится 1 г растворенного вещества, при толщине слоя раствора (длине поляризационной трубки), равной 1 дм.

Удельное вращение зависит не только от природы вещества, но и от температуры, длины волны поляризованного света и растворителя, поэтому его принято относить к температуре 20 °С и желтой линии натрия и обозначать с указанием растворителя.

Угол вращения плоскости поляризации [α ] определяют по формуле

, (1.9)

где 1 – длина трубки, дм; с – концентрация вещества, г/100 мл; σ – удельное вращение, град.

Пользуясь формулой (1.9), легко вычислить количество вещества в граммах, содержащееся в 100 мл раствора, т. е. концентрацию (с).

.

Основные рабочие части поляриметра: устройство для поляризации света – поляризатор; устройство для определения угла поворота плоскости поляризации после прохождения поляризованных лучей через исследуемый раствор – анализатор; поляризационная трубка, наполняемая исследуемым раствором и помещаемая между поляризатором и анализатором.

В качестве поляризаторов применяют кристаллы исландского шпата или других минералов, обладающих свойством двойного лучепреломления.

Анализатор в отличие от поляризатора может поворачиваться вокруг оптической оси прибора. Когда главные линии призм анализатора и поляризатора расположены параллельно, свет, проходящий через поляризатор, пройдет и через анализатор (при отсутствии между ними оптически активного раствора).

Если же главные сечения анализатора и поляризатора взаимно перпендикулярны, лучи через анализатор не пройдут.

При всех промежуточных положениях через анализатор от поляризатора пройдет только часть лучей.

Если поместить между поляризатором и анализатором оптически активное вещество, то часть поляризованных лучей при прохождении через оптически активный раствор отклонится и в анализатор не попадет. Поэтому световое поле получит неоднородную окраску.

Вращая анализатор, добиваются исходного (до помещения раствора) положения анализатора и по углу поворота прибора, соединенного со шкалой, судят о степени вращения плоскости поляризации исследуемым раствором, что позволяет рассчитать количество вещества в растворе.

Различают поляриметры с установкой на полную темноту и полутеневые с двойным и тройным полем зрения. Наиболее широкое применение получили полутеневые поляриметры. У поляриметров этого типа с двойным полем зрения поляризатор состоит из двух николей, а у поляриметров с тройным полем зрения – из трех. Разновидностью поляриметра является сахариметр, предназначенный для определения содержания сахарозы в растворах. В отличие от поляриметров других видов сахариметр имеет линейную шкалу, градуированную по сахарозе. 100° этой шкалы соответствуют 34, 62 кругового радиуса шкалы поляриметра.

Сахариметр показывает 100°, если в трубке длиной 200 мм поляризуют раствор, в 100 мл которого при 20 °С содержится точно 26 г химически чистой, абсолютно сухой сахарозы.

Особенность оптической системы сахариметра состоит в том, что анализатор в нем поставлен на полутень по отношению к поляризатору и укреплен неподвижно. Изменение угла поворота плоскости поляризации, вызванное исследуемым раствором, устанавливают клиновым кварцевым компенсатором.

Кварц – оптически активное вещество, обладающее вра­щательной способностью, близкой к вращательной способности сахарозы, но обратной по направлению. Меняя толщину слоя кварца, можно полностью компенсировать вращение, вызываемое сахарозой.

Существует несколько типов компенсаторов, отличающихся один от другого количеством кварцевых клиньев и пластинок. Но принцип действия их одинаков и основан на том, что относительным перемещением клиньев можно менять толщину кварцевого слоя. Подвижный клин (или клинья) смешается шестеренкой, сое­диненной с подвижной горизонтальной шкалой, что позволяет отсчитывать непосредственно концентрацию раствора сахарозы.