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 merõleges minden lehetséges síkban történnek. Ha ilyen fénysugarat bizonyos anyagokon, például polaroid lemezen, vagy Nicol-prizmán átbocsátunk, az csak egyetlen síkban rezgõ 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) vezethetõ 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 idõbeli lefolyásának követésére, stb.

Az optikai forgatóképesség függ a vizsgált homogén fény hullámhosszától(l) és a hõmérséklettõl(T). A forgatás szöge (a) szigorúan arányos a fény által az anyagban megtett úthosszal (l), oldatoknál megközelítõleg 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 hõmérsékleten.

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

A fajlagos forgatóképességen azt a szöget értjük, amellyel a síkban polarizált l hullámhosszú fény polarizációs síkja elfordul, amikor T hõmérsékleten az anyag 1 g/cm³ koncentrációjú oldatának 1 dm-én áthalad. Az optikai aktivitás mértékének tekinthetõ, adott l és T esetén az illetõ aktív anyagra jellemzõ 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 hõmérsékleten. Így a forgatóképesség:

a = (1)

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

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

OK: okulár                  OB: objektív S: skála

A nikolok tulajdonságainak megfelelõen a polarizátoron áthaladt fény az analizátoron csak akkor képes gyengítetlenül áthaladni, ha a két nikol fõmetszete egymással párhuzamos. Ha viszont az analizátor fõmetszete merõleges a polarizátoréra (amit a hossztengely körüli elforgatással érhetünk el), akkor az analizátor teljesen elnyeli a polarizátor által átbocsátott fényt, a polarizátor mögött levõ távcsõben így teljes sötétség lesz. Az analizátor közbensõ állásában a polarizátorból kilépõ 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 polarizátorcsõbe optikailag aktív folyadékot helyezünk, akkor az elforgatja a polarizáció síkját, ami abban mutatkozik meg, hogy az analizátor elõbbi 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 távcsõ 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 távcsõ látóterének két, egymástól élesen elhatárolt része egyenlõ megvilágításúvá válik. Ha az analizátort fõtengelye körül forgatjuk, akkor egy teljes elforgatás során négy állásnál lesz a látótér egyenletes megvilágítású, melynek intenzitása az elsõ 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 egyszerûen úgy történik, hogy elõször tiszta vizet töltünk a polarizátorcsõbe, s az analizátort úgy állítjuk be, hogy a látótér egyenletes megvilágítású legyen, azaz a két rész határvonala tûnjön el, s az analizátor helyzetét a skálán leolvassuk. Ez lesz a mérés nullapontja. Ezután a polarizátorcsõbe a vizsgálandó oldatot töltjük, s az elõbbihez hasonlóan ismét beállítjuk az egyenlõ 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 egyezõ irányban kellett elforgatni az analizátort, akkor jobbra forgató, ellenkezõ 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 meredekségébõl, 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 egyszerûen 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 szobahõmérsékleten, tiszta vizes oldatban kb. 24 óra alatt áll be teljesen, savak és bázisok, valamint glükomutarotáz enzim azonban jelentõsen gyorsítják. A gyakorlat során a glükóz mutarotációját lúgos oldatban tanulmányozzuk.

Kísérleti útmutató

Szükséges anyagok és eszközök:

I. 1 db 250 ml-es mérõlombik, 100 ml-es mérõlombikok, 1db 10 és 1 db 25 ml-es pipetta, 5 db 100 ml-es csiszolt dugós Erlenmeyer-lombik, desztillált vizes flaska, 1 l-es fõzõpohár

II.1 db 25 ml-es mérõlombik, 1 db 100 ml-es fõzõpohár, 1 db 1 ml-es osztott pipetta

Mérési feladatok

I.

1. Kapcsolja be a polariméter termosztátját és állítsa be a hõmérsékletet 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 mérõlombikba rendre 75, 50, 25, ill. 10 ml-t az elkészített cukoroldatból és töltse jelig a lombikokat. A 100 ml-es mérõlombikot a maradék oldattal adja át a technikusnak, ebbõl õ 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 nátriumgõz-lámpát kb. 20 cm-re a polariméter végétõl és kapcsolja be. (melegedési idõ: 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 látómezõ választóvonalaira élesen állítsa be, majd az alsó nagy rögzítõcsavart 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 látómezõ megvilágítása egyenlõ intenzitásúvá nem válik. Ezután a rögzítõcsavart 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 elõbbivel azonos értéket olvas le, elfogadhatja, ha nem, ismét mérje meg.

9. A polarizátorcsõbõl öntse ki a vizet, öblítse át kétszer a mérendõ 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 közelítõleg 4 g glükózt. Desztillált vízzel, mérõlombikban készítsen belõle 50 ml oldatot. Közvetlenül feloldódás, keveredés után töltse a polarizátorcsõbe és mérje meg az optikai forgatás szögét.

3. Leolvasás után a csõbõl töltse át az oldatot egy tiszta, száraz fõzõpohárba és pipettázzon hozzá 0,25 ml 0,1 M NaOH-oldatot. Kezdje el az idõmérést stopperrel. Gyors keverés után ismét töltse át az oldatot a polarizátorcsõbe 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 értelemszerû kitöltésével számítsa ki a különbözõ 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 értelemszerû kitöltésével számítsa ki a különbözõ idõpontokhoz tartozó (a a ), ill. [a]_D²⁵ értékeket

2.) Ábrázolja a fajlagos forgatóképesség értékeket az idõ 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 következõ 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 egyértelmûen azonosítani a vegyületet? 

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

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

Miért volt célszerû elõbb rövidebb, késõbb hosszabb idõtartamok 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