![]() |
kategória | ![]() |
||||||||
|
||||||||||
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
|||
|
||||
![]() |
![]() |
|
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
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 lT c l, ahol c = az aktív anyag oldatbeli koncentrációja g cm-3-ben
l = a fény optikai úthossza (küvettahossz) dm-ben
a lT = 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
Cukor |
fok |
a-D-glükóz |
|
D-glükóz (aés b egyensúlyi elegye) |
|
b-D-fruktóz (furanóz és piranóz egyensúlyi elegye) |
|
Szacharóz |
|
Invertcukor (D-glükóz és D-fruktóz 1:1 elegye) |
|
Maltóz (aés b egyensúlyi elegye) |
|
D-mannóz (aés b egyensúlyi elegye) |
|
D-galaktóz (aés b egyensúlyi elegye) |
|
Tejcukor (laktóz) |
|
Seignette só |
|
2.táblázat
|
Bemért 25 %-os oldat, cm3 |
c, g/cm3 |
a, fok |
a ao, fok |
|
|
(tiszta víz) |
|
ao |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ismeretlen |
|
|
|
3.táblázat
ao
|
t, min |
a, fok |
(a ao), fok |
|
NaOH hozzáadása előtt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:
4749
|
|
|