Polarimetria - Fajlagos forgatóképesség és koncentració meghatarozasa. Glükóz mutarotaciójanak tanulmanyozasa

Polarimetria

Fajlagos forgatóképesség és koncentráció meghatározása. Glükóz mutarotációjának tanulmányozása

A közönséges monokromatikus fény rezgései a haladási irányra merőleges minden lehetséges síkban történnek. Ha ilyen fénysugarat bizonyos anyagokon, például polaroid lemezen, vagy Nicol-prizmán átbocsátunk, az csak egyetlen síkban rezgő sugarakat enged keresztül. Az átbocsátott fény síkban polarizált, azaz poláros fény. A rezgés iránya és a sugár által meghatározott síkot -amelyben a rezgés történik- a rezgés síkjának nevezzük. Egyes anyagok -amikor a fény áthatol rajtuk- a fényrezgések síkját elforgatják. A szilárd testek között csak bizonyos kristályrendszerhez tartozó kristályok ilyen tulajdonságúak, a szabályos rendszerbeliek nem. Ha az anyag csak kristályos állapotban aktív (mint pl. a kvarc), megolvadt vagy oldott állapotban viszont nem, akkor a jelenség oka a kristályszerkezetben van, ha ellenben az aktivitás oldott vagy megolvadt állapotban is megmarad, az a molekulaszerkezet sajátosságára (asszimetriájára) vezethető vissza. Az ilyen anyagokat optikailag aktív anyagoknak nevezzük.

Az optikai forgatóképességet felhasználhatjuk az aktív anyag jelenlétének kimutatására, azonosítására, inaktív oldószerrel készült oldataiban koncentrációjának meghatározására, biz 545j91f onyos kémiai folyamatok időbeli lefolyásának követésére, stb.

Az optikai forgatóképesség függ a vizsgált homogén fény hullámhosszától(l) és a hőmérséklettől(T). A forgatás szöge (a) szigorúan arányos a fény által az anyagban megtett úthosszal (l), oldatoknál megközelítőleg arányos az oldat koncentrációjával (c) is.

a = [a _l^T c l,         ahol      c = az aktív anyag oldatbeli koncentrációja g cm^-3-ben

l = a fény optikai úthossza (küvettahossz) dm-ben

a _l^T = az aktív anyag fajlagos forgatóképessége l hullámhosszú fényre vonatkoztatva, T hőmérsékleten.

----- ----- ----xeroxozott ábra------------

A fajlagos forgatóképességen azt a szöget értjük, amellyel a síkban polarizált l hullámhosszú fény polarizációs síkja elfordul, amikor T hőmérsékleten az anyag 1 g/cm³ koncentrációjú oldatának 1 dm-én áthalad. Az optikai aktivitás mértékének tekinthető, adott l és T esetén az illető aktív anyagra jellemző érték. A definícióhoz alkalmazkodó mértékegysége fokg^-1cm³dm^-1 lenne, történetileg azonban úgy alakult, hogy csupán a fokot( ) használják. A gyakorlatban rendszerint a Na D-vonalára (l = 589 nm) vonatkoztatva adják meg, 25 C hőmérsékleten. Így a forgatóképesség:

a = (1)

Az optikai forgatóképességet polariméterrel mérjük. A polariméter lényegében három fő részből áll: a síkban polarizált fényt előállító polarizátorból, az aktív oldatot befogadó, végein planparallel üveglemezekkel lezárt, ismert hosszúságú termosztálható csőből, az ún. polarizátorcsőből, és az analizátorból, amely a polarizációsík helyzetének megállapítására való. Polarizátorként és analizátorként általában Nicol-féle prizmát használnak.

F: fényforrás P: polarizátor PCS: polarizátorcső A: analizátor

OK: okulár                  OB: objektív S: skála

A nikolok tulajdonságainak megfelelően a polarizátoron áthaladt fény az analizátoron csak akkor képes gyengítetlenül áthaladni, ha a két nikol főmetszete egymással párhuzamos. Ha viszont az analizátor főmetszete merőleges a polarizátoréra (amit a hossztengely körüli elforgatással érhetünk el), akkor az analizátor teljesen elnyeli a polarizátor által átbocsátott fényt, a polarizátor mögött levő távcsőben így teljes sötétség lesz. Az analizátor közbenső állásában a polarizátorból kilépő fénynek csak egy részét engedi át. Az analizátorral tehát megállapíthatjuk a síkban polarizált fény polarizációs síkjának helyzetét, s ezt a nikol ama helyzetével jellemezhetjük, amelyben a fényt teljesen kioltja. Ha ebbe a helyzetbe hozzuk az analizátort, majd a polarizátor és analizátor közé a polarizátorcsőbe optikailag aktív folyadékot helyezünk, akkor az elforgatja a polarizáció síkját, ami abban mutatkozik meg, hogy az analizátor előbbi helyzetében már nem oltja ki teljesen a fényt. Ahhoz, hogy a kioltás ismét bekövetkezzék, az analizátort el kell forgatni. A látótér újbóli teljes elsötétedéséhez szükséges elforgatás (a) szöge a polarizáció síkjának a folyadék okozta elfordítása, amelynek nagysága az analizátorral összekapcsolt skála tárcsáján nóniusz segítségével leolvasható.

Azt azonban, hogy a távcső látóterében mikor van "teljes sötétség", nem lehet teljes pontossággal eldönteni, ezért a készülékeket úgy készítik, hogy a kioltás helyett azt a helyzetet keressük, amikor a távcső látóterének két, egymástól élesen elhatárolt része egyenlő megvilágításúvá válik. Ha az analizátort főtengelye körül forgatjuk, akkor egy teljes elforgatás során négy állásnál lesz a látótér egyenletes megvilágítású, melynek intenzitása az első állásban sokkal nagyobb (egészen világos), a másodikban sokkal kisebb (egészen sötét), mint a másodikban és a negyedikben (félárnyék, szürke szín). Az analizátort mindig a félárnyékra állítjuk be, mert a szemünk kis abszolút fényintenzitás mellett a legérzékenyebb a megvilágítási különbségek észlelésére, a beállítás így történhet a legpontosabban.

A polariméterrel való mérés egyszerűen úgy történik, hogy először tiszta vizet töltünk a polarizátorcsőbe, s az analizátort úgy állítjuk be, hogy a látótér egyenletes megvilágítású legyen, azaz a két rész határvonala tűnjön el, s az analizátor helyzetét a skálán leolvassuk. Ez lesz a mérés nullapontja. Ezután a polarizátorcsőbe a vizsgálandó oldatot töltjük, s az előbbihez hasonlóan ismét beállítjuk az egyenlő megvilágítást, a skáláról ismét leolvassuk az analizátor helyzetét. A két leolvasás különbsége adja meg az elforgatás szögét, az a-t. Ha az aktív oldat közbeiktatásakor az óramutató járásával egyező irányban kellett elforgatni az analizátort, akkor jobbra forgató, ellenkező esetben balra forgató a vizsgált anyag.

Mérési feladatok:

I. Ismeretlen cukor-típusú vegyület azonosítása és koncentrációjának meghatározása

A kiadott cukor pontosan ismert koncentrációjú oldatainak mért forgatóképességét ábrázoljuk a koncentráció függvényében. Egyenest kell kapnunk (ld. (1) egyenlet), melynek meredekségéből, az optikai úthossz figyelembe vételével megkapjuk a fajlagos forgatóképesség értékét, s azt a mellékelt táblázat adataival összevetve azonosítjuk a kiadott vegyületet. Az ismeretlen koncentrációt a meghatározott fajlagos forgatóképesség ill. az oldat mért forgatóképessége birtokában egyszerűen kiszámíthatjuk.

II. Glükóz mutarotációjának tanulmányozása

A kristályos kereskedelmi D-glükóz a-D-glükózt tartalmaz, melynek fajlagos forgatóképessége közvetlenül a feloldás után [a]_D²⁵ = +112 g^-1cm³dm^-1. Vizes oldatban, állás közben a glükóz fajlagos forgatóképessége megváltozik , mert a glükóz a- és b-D-glükóz egyensúlyi keverékévé alakul át. Ez a forgatóképesség változással járó folyamat a mutarotáció. Az egyensúlyi keverék 37% a- és 63% b-D-glükózt tartalmaz, ekkor [a]_D²⁵ = +52, 7 g^-1cm³dm^-1. Az egyensúly szobahőmérsékleten, tiszta vizes oldatban kb. 24 óra alatt áll be teljesen, savak és bázisok, valamint glükomutarotáz enzim azonban jelentősen gyorsítják. A gyakorlat során a glükóz mutarotációját lúgos oldatban tanulmányozzuk.

Kísérleti útmutató

Szükséges anyagok és eszközök:

I. 1 db 250 ml-es mérőlombik, 100 ml-es mérőlombikok, 1db 10 és 1 db 25 ml-es pipetta, 5 db 100 ml-es csiszolt dugós Erlenmeyer-lombik, desztillált vizes flaska, 1 l-es főzőpohár

II.1 db 25 ml-es mérőlombik, 1 db 100 ml-es főzőpohár, 1 db 1 ml-es osztott pipetta

Mérési feladatok

I.

1. Kapcsolja be a polariméter termosztátját és állítsa be a hőmérsékletet 25 C-ra.

2. Készítsen a kiadott ismeretlen szilárd cukorból 250 ml kb. 25 vegyes%-os, de pontosan ismert koncentrációjú oldatot.

3. Mérjen egy-egy 100 ml-es mérőlombikba rendre 75, 50, 25, ill. 10 ml-t az elkészített cukoroldatból és töltse jelig a lombikokat. A 100 ml-es mérőlombikot a maradék oldattal adja át a technikusnak, ebből ő hígítja az ismeretlen koncentrációjú oldatot.

4. Keveredés után mindegyik oldatot töltse át egy-egy számozott csiszolt dugós Erlenmeyer lombikba és helyezze a termosztátba.

5. Helyezze el a polariméter fényforrását, a nátriumgőz-lámpát kb. 20 cm-re a polariméter végétől és kapcsolja be. (melegedési idő: 10 perc)

6. Alapos mosás után töltse meg a polarimétercsövet buborékmentesen desztillált vízzel, és helyezze be a két nikol közé a polariméterbe.

7. A szoba elsötétítése után az okulárt a látómező választóvonalaira élesen állítsa be, majd az alsó nagy rögzítőcsavart meglazítva az analizátort szabad kézzel lassan forgassa körbe, hogy észlelje a látótér megvilágításának változásait. Figyelje meg, hogyan változik közben a skála . Tanulja meg, hogyan kell leolvasni a skálát, különös tekintettel a nóniuszra. (a polariméterben a fok törtrészét tizedestörtekben, és nem percekben szokás megadni)

8. A sötétebbik félárnyék közelében addig forgassa az analizátort, míg az egész látómező megvilágítása egyenlő intenzitásúvá nem válik. Ezután a rögzítőcsavart megszorítva a finombeállítást az oldalsó mikrométercsavarral végezze. Olvassa le a skálán az analizátor helyzetét (a mérés nullapontját, a -t). Ismételje meg a mérést. Ha az előbbivel azonos értéket olvas le, elfogadhatja, ha nem, ismét mérje meg.

9. A polarizátorcsőből öntse ki a vizet, öblítse át kétszer a mérendő cukoroldattal, majd buborékmentesen töltse meg vele, helyezze a polariméterbe és ismét állítsa be a látótér egyenletes megvilágítását, olvassa le a értékét.

Végezze el ugyanezt az összes elkészített cukoroldattal, és az ismeretlen koncentrációjúval is. A mérést a leghígabb oldattal kezdje.

II. A glükóz mutarotációjának tanulmányozása

1. Mérje meg a polariméter 0-pontját. (ld. I/1.-8.)

2. Mérjen le gyorsmérlegen közelítőleg 4 g glükózt. Desztillált vízzel, mérőlombikban készítsen belőle 50 ml oldatot. Közvetlenül feloldódás, keveredés után töltse a polarizátorcsőbe és mérje meg az optikai forgatás szögét.

3. Leolvasás után a csőből töltse át az oldatot egy tiszta, száraz főzőpohárba és pipettázzon hozzá 0,25 ml 0,1 M NaOH-oldatot. Kezdje el az időmérést stopperrel. Gyors keverés után ismét töltse át az oldatot a polarizátorcsőbe és a lúg hozzáadásától számítva 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 25 és 30 perc elteltével olvassa le az optikai forgatás szögét.

A mérési eredmények feldolgozása

I.

1.) A táblázat értelemszerű kitöltésével számítsa ki a különböző cukoroldatok koncentrációját és az a a értékét.

2.) Ábrázolja mm-papíron az a a értékeket a koncentráció függvényében

3.) Határozza meg az adott cukor fajlagos forgatóképességét.

4.) Határozza meg az ábra segítségével a kiadott ismeretlen cukoroldat koncentrációját.

5.) A mellékelt táblázat adatainak segítségével a meghatározott fajlagos forgatóképesség alapján állapítsa meg, milyen cukorral végezte a méréseit.

II.

1.) A táblázat értelemszerű kitöltésével számítsa ki a különböző időpontokhoz tartozó (a a ), ill. [a]_D²⁵ értékeket

2.) Ábrázolja a fajlagos forgatóképesség értékeket az idő függvényében. Határozza meg a 0. perchez, ill. az egyensúlyhoz tartozó [a]_D²⁵ értéket a görbe alapján.

Diszkusszió

A mérési tapasztalatok alapján szövegesen értékelje a kapott eredményeket a következő szempontok szerint:

Jobbra vagy balra forgató anyag volt -e az ismeretlene? Hogyan állapította meg?

Hogyan változott az optikai forgatás szöge az oldat koncentrációjával? Mennyire illeszkedtek a pontok a görbére?

Milyen pontosan tudta így meghatározni a [a]_D²⁵ értékét? Lehetett-e ennek alapján egyértelműen azonosítani a vegyületet? 

Próbálja megítélni, milyen pontosan tudta meghatározni az oldat koncentrációját. Mi lehetett a legfőbb hibaforrás?

Hogyan változott a glükóz fajlagos forgatóképessége az idő függvényében? Beállt-e az egyensúly a mérés időtartama alatt? Hogyan állapította ezt meg?

Miért volt célszerű előbb rövidebb, később hosszabb időtartamok elteltével mérni?

Mennyire egyezik a méréssel meghatározott [a]_D²⁵ kezdeti ill. egyensúlyi értéke az irodalmival? Ha van eltérés, mi lehet az oka?

Írja le a méréssel kapcsolatos egyéb tapasztalatait és a gyakorlat hasznosabbá tételét célzó javaslatait is.

1.táblázat

2.táblázat

3.táblázat

a_o