7.6. Оптична активність речовин.

Всі речовини і розчини можуть бути поділені на дві категорії залежно від їх відношення до поляризованого світла. Речовини, які здатні змінювати (обертати) площину поляризації світла, є оптично активними речовинами; речовини не здатні змінювати площину поляризації світла, є оптично неактивними.

При проходженні поляризованого світла крізь анізотропне оптично активне середовище може виникнути два ефекти:

1. Зміна напрямку коливань – обертання площини поляризації;

2. Розклад плоскополяризованого променя на дві компоненти, що мають обертання в різні сторони.

Оптична активність речовин зумовлена двома факторами:

1. Особливостями кристалічної решітки речовини;

2. Особливостями будови молекули речовини.

Залежно від цих факторів оптично активні речовини поділяють на два типи. До першого типу відносяться тверді речовини – кристали, наприклад, кварц sio2, натрій хлорат naclo3 та ін. Оптична активність деяких кристалічних осадів використовується в кристалохімії для визначення окремих іонів, наприклад, оптична активність кристалічних осадів teaucl4 і pbcl2 використовується для ідентифікації речовин.

При плавленні або розчиненні, тобто при руйнуванні кристалічної решітки, такі кристали втрачають оптичну активність.

Особливо широко використовується обертання площини поляризації кристалами в мікроскопічній техніці. Кристали відрізняються один від другого по напрямку обертання (право- або лівообертаючі), по ступеню обертання і по ряду інших ефектів. Ці оптичні показники є важливими характеристиками кристалів.

Речовини другого типу проявляють активність тільки у розчиненому або газоподібному станах. Оптична активність їх зумовлена особливостями будови молекул. До цієї категорії належать в основному органічні речовини: глюкоза, винна кислота, морфін і ін. Оптично активні молекули не мають центру і площини симетрії. Наприклад, молекула циклогексану симетрична і оптично неактивна, а молекула метилциклогексану несиметрична і оптично активна:

 Циклогексан метилциклогексан

Винна кислота може існувати в чотирьох формах, з яких дві оптично активні (d- та l-винна кистота), а дві мають площину симетрії і оптично неактивні (мезо-винна кислота).

Визначення речовин другого типу складає одне з основних завдань поляриметричного аналізу.

7.7. Аналіз розчинів оптично активних речовин

Очевидно, що поляриметричним методом можна досліджувати тільки оптично активні речовини, яких є кілька тисяч. Якщо крізь шар такої речовини проходить поляризований промінь, то площина його поляризації змінюється, тобто площина поляризації променя виявляється повернутою на деякий кут, який називається кутом обертання площини поляризації.

Основною частиною будь-якого приладу для поляриметричного аналізу є поляризатор і аналізатор. Коли вони встановлені так, щоб їх площини поляризації взаємно паралельні, то промені світла проходять крізь них (рис. 7.2, а). Якщо аналізатор повернути на 90° (рис. 7.2, б) так, щоб площини поляризації стали взаємно перпендикулярними, то промені світла не можуть пройти крізь аналізатор, оскільки промені, що пройшли крізь поляризатор, мають площину коливань, перпендикулярну до площини пропускання променів аналізатором. В цьому випадку світла за аналізатором не виявляється. Таке положення називається постановкою аналізатора і поляризатора „на темноту”. Якщо ж між аналізатором і поляризатором, поставленими „на темноту”, розташувати розчин оптично активної речовини (рис. 7.2, в), то за аналізатором з’явиться світло.

Рис. 7.2. Схема розташування поляризатора і аналізатора при

Поляриметричному дослідженні

Поява світла пов’язана з тим, що промінь, який вийшов з розчину, коливається вже не в площині, перпендикулярній до площини поляризації. Промінь може пройти крізь аналізатор. Для того, щоб поставити поляризатор і аналізатор „на темноту”, необхідно аналізатор повернути так, щоб його площина стала перпендикулярною до площі променя, тобто на деякий кут β.

Таким чином визначається кут обертання площини поляризації. Цей кут залежить від товщини шару, концентрації розчину і індивідуальних властивостей оптично активної речовини. Всі ці величини зв’язані між собою рівняннями:

Β = ∙b∙C / 100 = ∙b∙C' (7.11)

Ф = ∙М / 100 (7.12)

Де  – питоме обертання площини поляризації; b– товщина шару, см; С – концентрація, г/100 мл; С' – концентрація, г/мл; М – молярна маса речовини; Ф – мольне обертання площини поляризації.

Величини  і Ф характеризують природу досліджуваної речовини.

Обертання площини поляризації може відбуватися за годинниковою стрілкою і проти. В першому випадку обертання називають правим і величину  вважають позитивною, а в другому випадку – лівим і величину  вважають від’ємною.

Питоме обертання площини поляризації  залежить від природи речовини, довжини хвилі світла, що поляризується, і температури. Зі збільшенням довжини хвилі питоме обертання площини поляризації зменшується. Зі зростанням температури питоме обертання збільшується, причому залежність від температури звичайно виражається ступеневим рядом. Наприклад, для інвертори – суміші еквівалентних кількостей d-глюкози і d-фруктози – ступеневий ряд дорівнює:

t = 20 – 0,304(t – 20) + 1,68∙10-3(t – 20)2.

В зв’язку з цим всі дослідження обертання площини поляризації повинні проводитись при певних значеннях довжини хвилі і температури. Звичайно питоме обертання площини поляризації відносять до 20°С і жовтій лінії λd натрію і позначають D20. Питоме обертання площини поляризації рідких і твердих речовин є постійною величиною, наприклад: для скипидару D20 = - 37,24°, для нікотину D20 = - 162,0°.

Для розчинів, оптична активність яких зумовлена молекулярною будовою розчиненої речовини, питоме обертання площини поляризації залежить також від концентрації розчину, і виражається як правило ступеневим рядом. Наприклад, для сахарози:

D20 = 66,56 + 8∙10-4∙C – 2∙10-4∙C2.

Питоме обертання площини поляризації залежить також від розчинника, в якому розчинена досліджувана речовина.

В деяких випадках спостерігається зміна питомого обертання площини поляризації у часі. Це явище називається мутаротацією і пов’язано з переходом однієї оптичної форми розчиненої речовини в другу.