БОУ ОО СПО

<<Омский промышленно-экономический колледж>>

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине “ Физико-химические методы анализа”

ТЕМА:

Поляриметрия

Специальность240308 Аналитический контроль качества химических соединений

Руководитель: преподаватель Ткаченко Т.П.

Работу выполнил : лаборант хим.анализа

студент ОмГУ Пестерева А.А.

2012г.

Содержание

1. Теоретические основы метода……………………………………………………………3

2. Мешающие факторы при поляриметрических измерениях……………………………6

3. Удельное вращение и закон Био…………………………………………………………8

4. Поляриметрическая установка…………………………………………………………...9

5. Виды поляриметров……………………………………………………………………….12

   1. Полутеневой поляриметр…………………………………………………………….12

   2. Фотоэлектрические поляриметры…………………………………………………..14

   3. Круговые поляриметры………………………………………………………………17

   4. Визуальные поляриметры……………………………………………………………19

   5. Магнитные поляриметры…………………………………………………………….20

6. Особые шкалы поляриметров…………………………………………………………….21

7. Технические поляриметры………………………………………………………………..22

8. Практическая часть………………………………………………………………………..23

9. Обработка полученного аналитического сигнала………………………………………27

10. Литература…………………………………………………………………………………28

Теоретические основы метода

Поляриметрия представляет собой метод измерения, предназначенный для определения оптической активности вещества. Поляриметрия относится к старейшим методам физического количе­ственного анализа (закон Био был открыт в 1831 г.). Поляри­метры — это приборы для определения концентрации и идентификации оптически активных веществ. Естественная оптическая активность — это свойство молекул, преимущественно молекул органических соединений, которые вызывают поворот плоскости колебаний линейно поляризованного пучка лучей. Линейно поляризованное состояние электромагнитной волны характерно тем, что магнитные векторы амплитуды бесконечно вытянутой по­следовательности волн лежат в одной плоскости. Естественный свет представляет собой результат многих процессов излучения и не имеет упорядоченной поляризации. Линейно поляризованный свет можно получить лишь с помощью определенных оптических средств — поляризаторов.

Линейно поляризованный свет можно представить как результат наложения двух когерентных составных частей с круговой по­ляризацией, имеющих противоположные направления вращения. Векторы амплитуд обоих потоков волн с круговой поляризацией описывают противоположные по направлению винтовые траекто­рии, имеющие одинаковую скорость, частоту и выходную фазу на прямой распространения. Так как оба потока между собой интерферируют, результирующий вектор амплитуды находится в одной плоскости.

Наблюдаемое вращение плоскости колебания суммарного век­тора амплитуды двух круговых частей волны оптически активными веществами возможно лишь в том случае, если обе части волны с круговой поляризацией вдоль пройденного пути имеют различ­ную скорость, т. е. одна часть потока замедляется по сравнению с другой. Так как изменение скорости света в веществе по сравне­нию с предельной скоростью в вакууме характеризуется коэффи­циентом преломления, оптически активные вещества должны вы­зывать двойное круговое преломление, т. е. описываться двумя коэффициентами преломления. Предпосылкой для каждого вида двойного преломления является степень упорядоченности носи­телей заряда и направлений их полей внутри вещества. Вещества с двойным линейным преломлением всегда имеют одну или не­сколько плоскостей симметрии. Для веществ с двойным круговым преломлением, т. е. для оптически активных веществ, характерно отсутствие плоскости симметрии, они без исключения простран­ственно асимметричны. Из этого требования асимметрии следует, что химические элементы, одно- и многоатомные газы и почти все неорганические соединения являются оптически неактивными. Намного превосходящее число оптически активных органических и биологических веществ содержат соединения углерода, распо­ложенные несимметрично. В более крупных молекулах к оптиче­ской активности приводит также спиральная структура.

Различают вещества с правым и левым вращением. Направле­ние вращения определяется по следующему правилу: вещество имеет правое вращение (правое вращение обозначается знаком +, d или D), если плоскость поляризации при рассмотрении в нап­равлении источника света поворачивается по часовой стрелке; при левом повороте (обозначение: —, I или L) плоскость поляри­зации поворачивается против часовой стрелки. Вследствие требо­вания асимметричности для каждой оптически активной моле­кулы существует антипод с противоположным направлением вра­гдения и зеркально отраженным построением молекул. При син­тезе оптически активных веществ вероятность образования оди­накова для обоих антиподов, поэтому получающаяся смесь, кото­рая называется рацематом, содержит оба антипода с одинаковой вероятностью. Вследствие аддитивности свойства оптической ак­тивности результирующее суммарное вращение для рацемата равно нулю. Очевидно, что рацемат не является оптически актив­ным. Так как антиподы рацемата химически адекватны, то, как правило, их нельзя разделить химическим путем; для этого при­годны лишь поляриметрические методы.

Оптическая активность сильнее, чем другие оптические явле­ния, зависит от длины волны. Эта зависимость вызывается опти­ческой вращательной дисперсией . В спектральных областях при отсутствии абсорбции снижение длины волны усиливает вра­щение. В полосах абсорбции оптически активных соединений по аналогии с аномалиями коэффициента преломления имеют место аномалии вращения. Так как оптически активные вещества обла­дают круговым двойным преломлением, то они характеризуются двумя коэффициентами преломления n_R и п_ь (для света с левой и правой круговой поляризацией), которые в полосах с абсорб­цией могут быть представлены в виде комплексных чисел. Это свойство, которое называется круговым дихроизмом (различная абсорбция для света с левой и правой поляризацией), приводит к эллиптической поляризации первоначально линейно поляризо­ванного света . Аномалия вращения и круговой дихроизм обычно проявляются вместе (эффект Коттона), причем максимум кривой кругового дихроизма с малым спектральным смещением совпадает с точкой поворота кривой оптической вращательной дисперсии. Если аномалии дисперсии преломления вследствие не­большой величины эффекта не имеют практического значения в аналитической технике, то аномалии оптической вращательной дисперсии и кругового дихроизма могут использоваться в измери­тельной технике (спектральная поляриметрия) и имеют выдающееся значение при выяснении структуры в органической химии и особенно в биохимии.

Все оптически изотропные вещества в продольном магнитном поле (направление вектора магнитного поля совпадает с направле­нием света) становятся оптически активными (эффект Фарадея, магнитное вращение), причем направление вращения зависит от направления магнитного поля. Вращение, вызванное магнитным полем, как и естественное вращение, имеет сильную дисперсию, которую называют магнитно-оптической дисперсией вращения. Здесь тоже в областях спектра с абсорбцией вследствие Зеемановского расщепления возникают аномалии вращения — магнитный круговой дихроизм. Вследствие довольно сложной картины ин­формационного содержания спектров магнито-оптической диспер­сии вращения и магнитного кругового дихроизма они до сих пор используются в аналитической технике преимущественно в научных целях. В противоположность этому использование эффекта Фарадея для модуляции и компенсации оптического вращения является важным вспомогательным средством в современной поляриметрии .

Оптическая активность, как и преломление света, зависит от температуры. Она является результатом разности двух коэффи­циентов преломления, поэтому температурная зависимость ее в общем меньше, чем температурная зависимость самих коэффициен­тов преломления, и находится в пределах от 1 до 2-10~⁴/1°С. Исключение составляет инвертированный сахар, температурный коэффициент которого составляет 1,5-10~²/1 °С.

Температурный коэффициент для жидкостей в большинстве случаев отрицателен, т. е. вращение снижается с увеличением тем­пературы. Для твердых тел он чаще всего положителен, например для кварца он составляет 1,36- Ю^-4 на 1 °С. Оптическая активность зависит также от вида и кислотности растворителя, причем даже может произойти изменение направления вращения. Зависимость оптической активности от концентрации определяется законом Био.

Мешающие факторы при поляриметрических измерениях

При каждом преломлении и отражении от поверхности, не пер­пендикулярной направлению света, происходит изменение состоя­ния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие мно­жества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствитель­ность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.

Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на резуль­тат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во вре­мени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.

Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы со­ставляет 0,3 %/нм в области видимого света, заставляет исполь­зовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обы­чно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1 : 10⁴), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных полос Возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фа­радея. В приборах с кварцевым клином возможности компенса­ции при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вра­щательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается.

При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорб­ции возникает смещение эффективного центра тяжести распреде­ления длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.

При контроле быстротекущих непрерывных потоков раство­ров возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости.