DETERMINAREA CONCENTRATIILOR SOLUTIILOR OPTIC ACTIVE CU POLARIMETRUL

DETERMINAREA CONCENTRATIILOR SOLUTIILOR OPTIC ACTIVE CU POLARIMETRUL

Notiuni teoretice

Conform legilor electro-magnetismului o perturbatie electromagnetica aparuta intr-o regiune a spatiului devine izvorul altor perturbatii de aceeasi natura in portiunile invecinate in spatiu - apare astfel o unda electromagnetica care se va propaga cu viteza luminii.

Legile generale ale miscarii ondulatorii se refera in aceeasi masura atat la undele longitudinale cat si la cele transversale. Vibratiile longitudinale sunt simetrice fata de directia de propagare, adica actiunea lor asupra unui aparat receptor oarecare nu se schimba daca acest aparat este rotit in jurul directiei de propagare. In cadrul undelor transversale conditiile de actiune ale undei asupra aparatului pot fi diferite, dupa cum vibratiile transversale sunt surprinse intr-un plan sau intr-altul, care trece prin directia de propagare.

Din teoria electromagnetica a luminii rezulta ca undele luminoase sunt transversale. Intr-adevar, toate legile electromagnetismului duc la concluzia ca variatia in timp a intensitatii campului electric este insotita de aparitia unui camp magnetic-alternativ , orientate perpendicular unul in raport cu celalalt.

Un asemenea camp electromagnetic alternativ nu ramane fix in spatiu, ci se propaga cu viteza luminii de-a lungul unei linii perpendiculare pe vectorii si , generand unde electromagnetice, unde de lumina. In felul acesta cei trei vectori , si viteza de propagare , sunt perpendiculari intre ei, cu alte cuvinte directiile vectorilor si sunt perpediculare pe directia de propagare, adica unda electromagnetica este transversala. In fiecare caz dat exista o anumita orientare si prin urmare raza luminoasa nu reprezinta axa de simetrie a undelor electromagnetice. O asemenea simetrie este caracteristica undelor transversale. Vom intelege prin lumina naturala acea lumina in care vom intalni toate orientarile posibile ale vectorului ( si prin urmare si ale lui ).

Lumina in care , la fel si isi pastreaza o singura directie, o vom numi lumina polarizata. Planul care trece prin directia de propagare si care cuprinde vectorul electric, se numeste plan de vibratie al luminii polarizate, iar planul in care se gaseste vectorul magnetic si directia de propagare se numeste plan de polarizatie.

Fig. 1. Planurile de vibratie si de polarizatie in cazul luminii polarizate.

Fenomenul de polarizare al luminii, adica selectionarea undelor de lumina cu o anumita orientare a vectorului electric E, are loc prin reflexia sau refractia luminii la suprafata de separare a doi dielectrici izotropi sau prin dubla refractie cand lumina trece printr-un cristal anizotrop. Un sistem este izotrop daca toate proprietatile sale sunt identice dupa oricare din directiile spatiului, iar un sistem va fi anizotrop daca proprietatile lui depind de directia dupa care are loc fenomenul.

Noi vom studia dubla refractie (sau birefringenta) ce are loc la trecerea luminii printr-un cristal de spat de Islanda (CaCO₃) care cristalizeaza in sistemul romboedric. Daca pe un asemenea cristal cade un fascicul de lumina, dupa refractie el va da nastere la doua fascicule, avand directii diferite.

Chiar daca unghiul de incidenta este nul, fascicolul refractat este dublu. Raza care se propaga in continuarea fascicolului incident se numeste raza ordinara iar cea de a doua, raza extraordinara. Daca studiem cele doua raze emergente constatam ca ambele sunt polarizate, si anume in planuri perpendiculare intre ele.

Fig.3 Polarizarea luminii prin spat de Islanda: cele doua prisme sunt lipite cu balsam de Canada, ansamblul constituind un NICOL; RO-Raza ordinara; RE-Raza extraordinara polarizata in planul figurii.

1. Metode optice care utilizeaza lumina polarizata

Radiatia plan si circular polarizata

Radiatia electromagnetica reprezinta o unda ai carei vectori electric (E) si magnetic (H) oscileaza perpendicular pe directia de propagare si sunt orientati reciproc perpendicular. Frecventa oscilatiei, n, reprezinta numarul de oscilatii pe secunda. Lumina nepolarizata sau naturala contine cuante ai caror vectori au orientarile distribuite aleator, neexistand un mod privilegiat de oscilatie. Lumina plan-polarizata este cea in care vectorul electric, respectiv magnetic, oscileaza fiecare doar intr-un singur plan.

Lumina circular polarizata are caracteristic faptul ca vectorul electric, respectiv magnetic, raman constanti in modul dar descriu fiecare o traiectorie elicoidala (Fig.5), cu n rotatii pe secunda. Dupa sensul in care varful vectorului parcurge elicea (atunci cand privim spre sursa), lumina poate fi circular polarizata spre stanga (sens trigonometric sau antiorar) ori spre dreapta (sens antitrigonometric sau orar).

Lumina plan-polarizata poate fi considerata ca fiind rezultatul compunerii vectoriale a doua unde coerente, cu aceeasi amplitudine, circular-polarizate una spre stanga si una spre dreapta.

Importanta studiilor in lumina polarizata

Singura interactiune fizica care depinde explicit de asimetria structurii moleculelor este interactiunea cu radiatia polarizata. Asimetria structurii trebuie inteleasa in sens general, aici intrand: asimetria distributiei de sarcina (dipolii electrici permanenti); asimetria in dislocarile sarcinilor sub influenta campului electric exterior (polarizabilitate asimetrica); asimetria in miscarea electronilor pe orbitalii de valenta ("atomi asimetrici"); etc.

In plus, fata de studiile in lumina nepolarizata, interactiunea luminii polarizate cu moleculele ofera informatii de natura geometrica (orientare, distributie, ordonare, suscesiune) asupra unor legaturi sau zone din molecule.

2. Absorbtia luminii polarizate

Ca in orice metoda de spectroscopie de absorbtie, lungimile de unda alese se afla in domeniile benzilor de absorbtie ale legaturilor.

In cazul luminii polarizate, interactiunea vectorului electric va depinde de orientarea dipolilor absorbanti si de geometria orbitalilor pe care sunt distribuiti electronii in jurul atomilor. Absorbtia luminii polarizate are particularitati exploatate de tehnicile de dicroism linear - in cazul utilizarii luminii plan polarizate si dicroism circular - in cazul celui circular polarizate.

2.1. Dicroismul linear (DL) reprezinta fenomenul prin care o proba strabatuta de o radiatie policromatica linear polarizata isi schimba culoarea odata cu rotirea planului de polarizare. El se datoreste absorbtiei unor radiatii cu lungimi de unda diferite, daca planul luminii polarizate isi schimba orientarea fata moleculele asezate ordonat.

Pentru punerea in evidenta a DL este nevoie ca moleculele din proba sa fie aranjate in acelasi fel. Aranjamentul ordonat este aproape perfect in cristale, dar obtinerea acestora, in cazul macromoleculelor, nu este o sarcina usoara. In dielectrici, o orientare buna poate fi obtinuta cu ajutorul campului electric, daca moleculele au momente dipolare. Rezulta o aranjare multumitoare a macromoleculelor fibrilare sau alungite in lichide in curgere sau prin perierea intr-o singura directie a unei solutii vascoase, pana se usuca.

Existenta dicroismului linear, si marimea lui, daca moleculele sunt orientate preponderent cu dimensiunea mare in lungul unei axe, notate cu z, se exprima prin valoarea raportului dicroic, d.

unde E_|| este extinctia probei cand planul luminii polarizate este paralel cu axa z, iar E este extinctia gasita cand planul luminii poalarizate este perpendicular pe axa z.

Valorile diferite de zero ale raportului dicroic semnaleaza existenta unor asimetrii moleculare, iar graficului d(l) poate furniza date asupra naturii acestor asimetrii (gruparile, legaturile sau conformatiile ce o produc).

DL este utilizat curent in scopul stabilirii orientarilor diferitelor legaturi din structura moleculelor. In acest fel s-au putut descifra orientarile legaturilor de hidrogen in structurile a helix (paralel cu axul lantului polipeptidic) si b foaie plisata (perpendicular pe lant).

DL poate fi observat si in UV, pentru lumina polarizata avand l din benzile de absorbtie ale dublelor legaturi conjugate ale aminoacizilor aromatici sau ale bazelor azotate. Astfel, poate fi determinata orientarea planurilor bazelor azotate fata de axele elicilor duble ale acizilor nucleici.

2.2. Dicroismul circular (DC) este fenomenul prin care radiatiile monocromatice, circular polarizate in sensuri opuse, sunt absorbite diferit de catre moleculele substantei.

DC, la o lungime de unda data, se evalueaza, cel mai simplu, prin diferenta dintre extinctiile unei probe masurate pentru lumina circular polarizata spre stanga (E_L) si spre dreapta (E_R):

DE(l) = E_L - E_R

Exprimarea se poate face si pe baze molare, in functie de coeficientii molari de extinctie:

De l e_L e_R (M^-1cm^-1)

Fenomenul de absorbtie in UV - VIS se datoreste excitarii electronilor. In cazul structurilor asimetrice, ei oscileaza pe traiectorii elicoidale. Absorbtia in vecinatatea lungimii de unda de rezonanta (l_o) va fi alta daca sensul elicii traiectoriei este acelasi cu cel al elicii radiatiei considerata in sensul de propagare , sau in sens contrar. De aceea DC se manifesta intens in domeniile benzilor tranzitiilor electronice. In functie de lungimile de unda la care |De are valori maxime se poate studia energetica legaturilor, iar graficul lui De l) da informatii asupra asimetriei distributiei structurilor ce le contin.

Fiecare banda de DC este sensibila atat la strucura macromoleculelor, cat si la toti factorii care interactioneaza cu tranzitiile electronilor din legaturi. (Fig. 6)

3. Rotirea planului luminii polarizate este rezultatul "activitatii optice" a unor substante care au molecule asimetrice.

Activitatea optica se studiaza, de obicei, in domenii spectrale indepartate de benzile de absortie ale substantelor. Deci ea nu se datoreste absorbtiei luminii ci se explica prin vitezele de propagare diferita a radiatiilor circular polarizate in sensuri opuse.

Asimetria moleculara cea mai raspandita este cea datorita atomilor de carbon asimetrici. In cazul macromoleculelor, asimetria se poate datora si structurilor secundare (elici rotite spre dreapta sau stanga) sau tertiare, cand radicali simetrici se plaseaza in medii asimetrice - cu campuri locale intense.

Rotirea planului luminii polarizate apare ca urmare a faptului ca, in zonele asimetrice, electronii executa miscari pe traiectorii elicodale ce pot fi rasucite - fie spre stanga, fie spre dreapta. Considerand ca lumina plan-polarizata este compusa din doua componente circular polarizate in sensuri opuse, propagarea uneia va fi favorizata fata de cealalta. Vitezele celor doua componente intr-un astfel de mediu vor fi inegale si, la iesire, cei doi vectori electrici vor avea intarzieri diferite. In final, rezultanta compunerii lor va fi rotita fata de pozitia ce o avea la intrarea in mediu.

Activitatea optica a polimerilor difera de cea a monomerilor din care provin si este posibil ca un polimer, datorita structurii sale, sa aiba activitate optica fara a contine momomeri optic activi.

3.1. Dispersia optica rotatorie (DOR) este fenomenul de dependenta a unghiului de rotatie specifica a l), de lungimea de unda, l, a radiatiei plan-polarizate. Cu alte cuvinte, daca un fascicol de lumina policromatica, polarizata, strabate o proba, componentele monocromatice ale fascicolului le vom gasi rotite fiecare cu un alt unghi (dispersate rotator).

Efectele rotatorii se manifesta pana departe de lungimile de unda l_o ale benzilor de absorbtie. Deci acolo unde absorbtia luminii si DC sunt absente.

Graficele DOR, ca si cele DC, depind de asimetria locala a zonelor in care se afla electronii ce pot executa tranzitii. Scopul trasarii lor este de a identifica si explora astfel de zone, interactiunile dintre ele, sau susceptibilitatea lor la factorii de mediu.

Principiul lucrarii:

Cu ajutorul luminii polarizate se pot determina rapid si destul de exact, in laboratorul clinic, concentratiile unor solutii ale caror substante au proprietatea de a roti planul de polarizare al luminii. Substantele care au aceasta proprietate se numesc optic-active si se impart, in fuctie de sensul in care rotesc planul luminii polarizate, in: 'levogire', cele care rotesc planul luminii polarizate inspre stanga, se noteaza cu semnul minus;'dextrogire', cele care-l rotesc inspe dreapta, se noteaza cu semnul plus.

Proprietatea aceasta de a roti planul luminii polarizate se datoreste structurii asimetrice a substantelor organice de obicei, continand unul sau mai multi atomi de carbon asezati asimetric (un atom de carbon cu cele patru valente satisfacute de patru radicali diferiti).

In cazul solutiilor preparate cu ajutorul unei substante optic active, unghiul cu care va fi rotit planul luminii polarizate va depinde de urmatorii factori: de concentratia solutiei,C deci de densitatea d a solutiei, de grosimea stratului de lichid strabatut de lumina polarizata x(dm), de lungimea de unda a luminii utilizate, precum si de temperatura solutiei. Lumina polarizata se obtine cu ajutorul unui cristal anizotrop care prezinta fenomenul de birefrigenta.

Totodata, unghiulcu care este rotit planul de polarizare mai depinde si de natura substantei componente a solutiei, caracterizata cu ajutorul marimii [] care se mai numeste 'unghi de rotatie specifica'.

Deoarece rotatia specifica variaza cu temperatura si cu lungimea de unda a luminii, s-a convenit ca sa se standardizeze pentru lumina galbena a sodiului si pentru temperatura +20^○C, aceasta valoare standard notandu-se cu []. Deci o solutie va roti planul de polarizare al luminii cu unghiul si care are valoarea:

=

formula care permite aflarea concentratiei solutiei studiate.

Aparatura

Aparatul cu ajutorul caruia se determina unghiul cu care este rotit planul luminii polarizate se numeste polarimetru si este compus, in principiu, din urmatoarele parti: o sursa de lumina S, un nicol polarizator NP, un tub T in care se pune solutia de analizat, un nicol analizator NA mobil, care se poate roti la dreapta sau la stanga (corespunzator substantelor dextrogire sau levogire) si care este cuplat la un dispozitiv mecanic de citire a unghiului prevazut cu un vernier circular sau ocular D, in care observatorului ii apare campul ocular CO ce are o zona verticala centrala ZC. Nicolii sunt astfel construiti incat raza ordinara RO care apare in urma fenomenului de birefrigenta sa se reflecte total pe suprafata ce separa prismele nicolului.

Fig.6 Schema polarimetrului.

Fig. 7. Polarimetrul Polaris - parti componente:

Ocular

Lupa pentru citirea valorii unghiului de rotatie

Surub de control

Surub pentru focalizare.

Scala si vernierul pentru citirea unghiului de rotatie

Compartiment in care se introduce tubul cu proba

Filtru de sticla

Lampa de sodium

Comutator de pornire - oprire.

Mod de lucru:

In lucrarea de fata vom studia concentratia in glucoza a unor solutii dupa formula urmatoare:

C= in %

Pentru masurarea unghiului α se procedeza astfel:

Se umple tubul T cu apa distilata astfel incat sa nu contina bule de aer si se sterg ferestrele de sticla de la capetele tubului pentru ca imaginea sa se vada in bune conditii.

Se introduce apoi tubul in polarimetru si se roteste nicolul analizor cu ajutorul surubului micrometric pana ce zona centrala ZC apare egal intunecata cu cele doua campuri laterale. Deci se lucreaza in conditiile extinctiei maxime ce se obtine atunci cand cei doi nicoli ai polarimetrului sunt asezati 'in cruce'.

Se citeste unghiul initial, notat cu , cu o precizie de 0,05^○ utilizand vernierul cu care este prevazut aparatul.

Se inlocuieste apa din tub cu solutia de analizat, se realizeaza prin rotirea surubului micrometric o iluminare uniforma a campului CO. Se citeste noul unghi indicat de aparat, notat cu .

Observatie Operatiile de egalizare a campului si de citire a unghiului se realizeaza atat pentru solutie cat si pentru apa de cel putin 5ori, in calcule luandu-se media valorilor unghiurilor, notate

Nicoli in cruce

Nicoli paraleli

b.

a.

Fig.a) Mersul razelor de lumina prin polarimetru cand nicolii sunt asezati 'in cruce'.

b) Aspectul campului luminos observat prin polarimetru in fuctie de pozitia nicolului analizator in raport cu cel polarizator.

Fig. 9. Citirea unghiului cu ajutorul vernierului circular.

x = 0,30 = 1,30

Calcule si prezentarea rezultatelor

Cunoscand valorile pentru unghiurile medii si , se calculeaza unghiul cu care roteste solutia planul luminii polarizate astfel:

Apoi, se calculeaza concentratia procentuala a solutiei, care in cazul de fata este glucoza pentu care []= 52.8^○.

La efectuarea calculelor se va tine cont ca in formula de mai sus, densitatea d este masurata in g/cm³ iar lungimea stratului de solutie (a tubului ce o contine) , x, este exprimata in decimetri (dm).

Rezultatele obtinute se trec in tabelul urmator: