Поляриметрия
Поляриметрия - метод физико-химического анализа, основанный на измерении вращения плоскости линейно поляризованного света оптически активными веществами. Большая часть оптически активных веществ - это органические соединения с ассимметричным атомом углерода, т. е. с таким, единицы сродства которого насыщены четырьмя различными заместителями. Соединения асимметричных атомов четырехвалентного олова, серы, селена, кремния и пятивалентного азота также оптически активны.
Термины и обозначения
Если через слой оптически активного вещества или его раствор пропускать поляризованный луч света, то плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации или углом вращения а.
В зависимости от природы вещества, вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину.
Если плоскость поляризации вращается вправо от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество (по движению часовой стрелки), то вещество называют правовращающим и перед названием ставят знак « + » или D; если же вращение плоскости поляризации происходит влево, то вещество называют левовращающим и перед названием ставят знак «-» или L.
Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, толщины слоя вещества, через который проходит свет, температуры и длины волны света. Угол вращения прямо пропорционален толщине слоя. Влияние температуры связано, главным образом, с изменением плотности растворов и, в большинстве случаев, незначительно. Обычно определение оптического вращения проводят при 20 °С и при длине волны максимально соответствующей желтой линии D спектра натрия (589,3 нм).
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации вычисляют так называемое удельное вращение плоскости поляризации монохроматического света, вызванное слоем вещества толщиной в 1 дм, при температуре t и концентрации активного вещества 1 г/см3. Если определение удельного вращения проводят при 20 °С и длине волны линии D спектра натрия, то его обозначают знаком [a]D20.
Для жидких индивидуальных веществ удельное вращение определяют по формуле:
где а - измеренный угол вращения, градусы; l - толщина слоя жидкости, дм; d - относительная плотность жидкости.
Для растворов удельное вращение определяют по формуле:
где С - концентрация раствора, г растворенного активного вещества на 100 см3 раствора.
Удельное вращение зависит от природы растворителя и концентрации раствора. При замене растворителя может измениться не только величина угла вращения, но и его направление. Во многих случаях удельное вращение постоянно лишь в определенном интервале концентраций. Поэтому, приводя значение удельного вращения, необходимо указывать растворитель и концентрацию испытуемого раствора.
В интервале концентраций, в котором удельное вращение постоянно, можно по углу вращения рассчитать концентрацию вещества в растворе по формуле:
Полезно построить график зависимости концентрации активного вещества от угла вращения плоскости поляризации стандартными растворами различной концентрации. При помощи этого графика в дальнейшем по полученному значению угла вращения определяют концентрацию раствора.
Поляриметрические измерения имеют широкое практическое применение. На основании определения знака и величины вращения плоскости поляризации можно судить о химическом строении и пространственной конфигурации оптически активных веществ, делать порой выводы о механизме реакции.
Поляриметрический метод давно уже является основным методом контроля в сахарной промышленности - по углу вращения плоскости поляризации света определяют содержание сахара в растворе.
Поляриметры и сахариметры
Поляриметр круговой СМ. Устройство и принцип действия. Поляриметр СМ схематически изображен на рис. 191. Свет от источника 9 проходит последовательно через поляризационное устройство 7, поляриметрическую трубку 6, анализатор с устройством 5, поворачивающим плоскость поляризованного луча, и попадает в зрительную трубу 8.
Поляризационное устройство состоит из осветительной линзы, поляризатора и кварцевой пластинки, расположенной симметрично относительно поляризатора. Поляризатор и кварцевая пластинка находятся в определенном положении и крепятся жестко к оправе. Основной рабочей частью прибора является головка анализатора, состоящая из неподвижного лимба 1, вращающихся одновременно фрикциона 5 и двух нониусов 4, анализатора и зрительной трубы 8.
В трубу 8 при измерении вкладывают поляриметрическую трубку 6 с исследуемым веществом (раствором). Во избежание проникновения постороннего света, вырез в трубе закрывается вращающейся шторкой. Зрительная трубка служит для наблюдения тройного поля зрения и состоит из объектива и окуляра. Движением муфты 3 окуляр устанавливают на резкость изображения тройного поля зрения. В раковине окуляра находятся две лупы 2, которые позволяют, не меняя положение головы, отсчитывать угол вращения нониуса относительно шкалы лимба. На лимбе 1 нанесена градусная шкала от 0 до 360°. Внутри лимба на подвижной втулке, связанной с анализатором, нанесены два нониуса 4, расположенные диаметрально. Нониусы имеют по 20 делений ценой 0,05°. При больших углах вращения пользуются обоими нониусами и результатом измерения считают среднее значение из полученных отсчетов по первому и второму нониусам.
Поляриметрическая трубка 6 изготовляется из стекла. На трубке имеется выпуклость, необходимая для сбора пузырьков воздуха. На концах трубки укреплены металлические наконечники, на которые навертываются крышки, прижимающие покровные стекла. Между крышками и покровными стеклами имеются резиновые прокладки, предохраняющие от образования натяжений в стекле при завертывании крышек.
Осветитель 9 состоит из патрона, прикрепленного к кронштейну. Для регулирования освещения патрон можно перемещать вдоль кронштейна, а сам кронштейн перемещать по стойке вверх, вниз и вокруг нее. Источником света служит матовая лампа накаливания мощностью 25 Вт. Свет от лампочки проходит через специально подобранные светофильтр и поляроиды, в результате чего максимум спектрального распределения пучка соответствует желтой линии натрия.
Проведение измерений. Пустую поляриметрическую трубку вставляют в зрительную трубу, закрывают шторкой, включают осветитель в сеть и наблюдают в окуляр освещенность тройного поля. Если крайние поля неравномерно освещены, то перемещением осветителя добиваются их равномерного освещения. После установки осветителя определяют начальное положение анализатора. Перемещением муфты вдоль оси добиваются резкого изображения разделяющей линии тройного поля, наблюдаемого в окуляр. Плавно вращая анализатор с помощью фрикциона, добиваются равной затемненности изображения тройного поля (рис. 192), видимого в окуляр, которое определяет начальное положение анализатора. После установки на равную затемненность тройного поля через лупу с помощью нониуса лимба производят отсчет. Начальное положение не обязательно должно совпадать с нулевым делением градусной шкалы лимба.
Установку начального положения анализатора и отсчет делений градусной шкалы лимба следует повторить не менее 5 раз и показанием прибора считать среднее значение от полученных отсчетов.
После этого наполняют поляриметрическую трубку исследуемым раствором, для чего, отвинтив крышку с одного конца трубки, наполняют ее в вертикальном положении прозрачным раствором (мутный раствор фильтруют) до появления в верхнем конце трубки выпуклого мениска. Затем сбоку надвигают покровное стекло, накладывают резиновую прокладку и завинчивают крышку. При этом необходимо следить за тем, чтобы в трубке не оставалось пузырьков воздуха. Наружные стороны покровных стекол должны быть прозрачными и без следов жидкости, которая удаляется фильтровальной бумагой.
Наполненную поляризационную трубку вставляют в зрительную трубу и закрывают шторкой. Перемещением муфты 3 устанавливают на резкость разделяющие линии тройного поля. Затем, плавно вращая анализатор с помощью фрикциона 5, добиваются равномерной затемненности изображения тройного поля и производят отсчет.
Порядок отсчета следующий: определяют, на сколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу, затем определяют число делений от нуля нониуса до штриха нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножают полученное число делений на 0,05. Полученный результат прибавляют к первому. Разность отсчетов, соответствующих фотометрическому равновесию поля с оптически активным веществом и без него, равна углу вращения плоскости поляризации данного раствора.
Установку на равную затемненность тройного поля и отсчет необходимо производить не менее 5 раз.
Если поляриметр имеет кожух для термостатирования поляризационной трубки, то перед началом испытания раствора через кожух в течение 10 мин пропускают воду из термостата при температуре 20 ±0,1°С. В случае отсутствия кожуха следует работать в помещении при 20 ±3°С. При определении удельного вращения индивидуальной жидкости ее выдерживают в термостате при 20 ±0,1 °С в течение 30 мин.
Сахариметр универсальный СУ-3. В сахариметрах, в отличие от поляриметров, для компенсации поворота плоскости поляризованного луча исследуемым раствором используют специальные кварцевые клинья, соответственно положению которых по шкале отсчитывают значение угла вращения.
Шкала сахариметров градуирована в градусах Международной сахарной шкалы (°S). Один градус сахарной шкалы соответствует 0,26 г сахарозы в 100 см3 раствора, если измерение производится в поляриметрической трубке длиной 200 мм при 20 °С. Сто градусов сахарной шкалы (100 °S) соответствуют 34,62° угловым.
Устройство и принцип действия. Оптическая схема универсального сахариметра СУ-3 изображена на рис. 193.
Свет от источника 1 проходит через матовое стекло 2, предназначенное для рассеивания света (вместо него в оптическую систему может быть введен светофильтр). Далее световой поток проходит конденсорную линзу 3, попадает в поляризатор 4 и выходит из него плоскополяризованным. За поляризатором стоят два защитных стекла 5 и 6, между которыми установлена поляриметрическая кювета с исследуемым раствором. Подвижный кварцевый клин 7, стеклянный контрклин 8 и неподвижный кварцевый клин 9 образуют кварцевый компенсатор, который компенсирует вращение плоскости поляризации. За анализатором 10 расположена зрительная трубка, состоящая из двухлинзового объектива 11 и окуляра 12, которая сфокусирована на выходную грань поляризатора 4. При помощи зрительной трубки можно рассмотреть в увеличенном виде линию раздела поля зрения прибора.
Свет от электролампы освещает также шкалу 15 и нониус 14 с помощью отражательной призмы 17 и защитного стекла 16, рассеивающего свет. Цифры и деления нониуса и шкалы рассматриваются в увеличенном виде под лупой 13, состоящей из двух линз. По нулевому делению нониуса фиксируют значение шкалы, соответствующее состоянию одинаковой освещенности обеих половин поля зрения.
Источником света является электролампа А-10 (15 Вт, 12 В), питаемая от сети переменного тока 220 В через понижающий трансформатор 12 В, встроенный в основание прибора.
Проведение измерений. Сахариметр должен быть установлен на столе в темном лабораторном помещении со стенами, окрашенными в черный цвет, что повышает чувствительность глаза наблюдателя.
Перед началом измерений прибор необходимо заземлить при помощи винта заземления, включить в сеть и установить на нуль. Установка на нуль производится при отсутствии в камере поляриметрической кюветы. Вращая рукоятку кремальерной передачи, устанавливают однородность освещения обеих половин поля зрения. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать (рис. 194). В противном случае перемещают нониус до совмещения его нулевого деления с нулевым делением шкалы. После проверки нулевой точки шкалы можно непосредственно приступить к измерениям.
В камеру прибора вкладывают поляриметрическую кювету с испытуемым раствором. При этом изменяется однородность освещения обеих половин поля зрения. Вращая рукоятку кремальерной передачи, уравнивают освещенность обеих половин поля зрения и производят отсчет показаний с точностью до 0,1 деления шкалы при помощи нониуса. Отсчет показаний повторяют 5 раз. Результатом считают среднее арифметическое пяти измерений.
Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется рисунками. На рис. 195 слева показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету + 11,8 °S (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений, и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается восьмое деление нониуса). На том же рисунке справа показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету -3,2 °S (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на три полных деления шкалы, и в левой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается второе деление нониуса).
Для определения массового процента сахарозы в исследуемом растворе следует отсчитанные по шкале сахариметра градусы сахарной шкалы умножить на переводной коэффициент 0,260 и разделить на плотность исследуемого, раствора.
Сахариметр СУ-3 комплектуется поляриметрическими трубками длиной 100, 200 и 300 мм. Трубки длиной 100 мм применяют для окрашенных растворов и при расчетах результатов анализа значение, полученное по шкале прибора, увеличивают в два раза. Трубки длиной 400 мм применяют при исследовании растворов малой концентрации и при расчете значения по шкале прибора уменьшают в два раза.
К прибору для проверки правильности показаний прилагается контрольная трубка с двумя нормальными кварцевыми пластинками на -40 и +100 °S.
Точность показаний сахариметра с помощью контрольной трубки необходимо проверять при установившейся температуре 20 °С. В случае проверки прибора при температуре, отличающейся от 20 °С, производят пересчет по формуле:
где а20 и at - вращательная способность кварцевой пластинки при 20 °С и температуре измерения t, соответственно, °S.
Расхождение в показаниях проверяемого прибора и контрольной трубки при выверенной нулевой точке является погрешностью данного прибора.
Уход за приборами и их хранение
После окончания работы приборы и принадлежности к ним следует тщательно протереть мягкой неворсистой салфеткой; на приборы надеть чехол, а принадлежности уложить в футляр.
Хранить приборы следует в сухом и чистом помещении при температуре воздуха 10-35 °С и относительной влажности 30-80%. В воздухе помещения не должно быть вредных примесей.
Не допускается разбирать приборы и чистить оптические детали, расположенные внутри приборов.
Защитные стекла чистят при помощи деревянной палочки с намотанным на нее тонким слоем гигроскопической ваты, соблюдая осторожность, чтобы не поцарапать полированные поверхности стекол.