Pomiar skręcalności optycznej

Jednym z prostych pomiarów fizykochemicznych, które być może były omawiane w szkołach, jest pomiar skręcalności optycznej substancji. Podobny wykonuję też i ja na pracowni, ale sprzętem nieco dokładniejszym. Tylko po co to wszystko?

 U początków wielkiej naukowej debaty o prawdziwej naturze światła zwrócono uwagę na zjawisko polaryzacji. Przezroczyste kryształy szpatu islandzkiego podwajały obraz jaki przez nie obserwowano, a wpuszczony w nie promień światła rozdzielał się na dwa - normalny, biegnący zgodnie z wartością załamania, i nadzwyczajny o silniejszym załamaniu.

 Jeszcze zaś dziwaczniej zachowywały się dwa takie kryształy położone na sobie - w pewnej wzajemnej orientacji pozostawały przezroczyste, po obróceniu o 90 stopni wygaszały obraz. Zjawisko to nazwano polaryzacją i niespecjalnie się nim potem przejmowano, gdy tymczasem trwał spór między fizykami - czy światło to promień czy może wiązka przenikliwych cząstek? Istniało wiele zjawisk które udawało się łatwo wytłumaczyć modelem cząstkowym i on w zasadzie był powszechnie przyjmowany aż do 1801, gdy Thomas Young zaproponował doświadczenie z dwoma szczelinami.
Weźmy źródło światła i ujednolićmy je przepuszczając przez mały otwór. Teraz przepuśćmy nasze spójne światło przez dwa małe otworki, wielkości nakłuć końcem igły, położone blisko siebie. Zgodnie z teorią cząstkowa, powinniśmy zobaczyć dwie jasne plamki. Zamiast tego obserwowano jasną plamę pośrodku i rząd rozchodzących się po bokach mniejszych, kolorowych plamek oddzielonych plamami cienia. W sposób cząstkowy wyjaśnić się tego nie dało. Chyba że światło jest jednak falą:

Dwie szczeliny tworzą dwa źródła rozchodzących się fal, które nakładają się na siebie raz wzmacniając raz wygaszając. Young zainspirował się tu obserwacją fal na powierzchni wody, przy czym z występowania tego zjawiska wynikało, że jeśli już światło faluje, to poprzecznie do kierunku ruchu.

Późniejsza teoria powiązała światło z zaburzeniami w rozprzestrzeniającym się polu elektrycznym i magnetycznym. Pole magnetyczne które zmienia natężenie i kierunek powoduje wygenerowane pola elektrycznego, ale także o zmiennym kierunku. Zmienne pole elektryczne z kolei generuje zmienne pole magnetyczne. Te dwa wzajemnie się indukujące pola łączą się ze sobą tworząc promieniowanie elektro-magnetyczne. Wektor pola magnetycznego jest prostopadły do wektora pola elektrycznego a obydwa do kierunku rozchodzenia się promieni.:

Późniejsza teoria kwantowa zmodyfikowała ten model, wprowadzając podwójną falowo-cząstkowa naturę światła.

W każdym razie gdy Young udowodnił falową naturę światła, znane wcześniej zjawisko polaryzacji stało się zrozumiałe - po postu wektory pól zajmują w przestrzeni jakieś płaszczyzny względem kierunku rozchodzenia, ale w świetle zwykłym są one przemieszane. Gdy światło zostanie spolaryzowane, kierunki te porządkują się :

 i wszystkie wektory spolaryzowanego światła leżą w jednej płaszczyźnie. Wyjaśnienie dwójłomności szpatu islandzkiego, powodującej podwojenie obrazu jest w tym kontekście ciekawe - prędkość światła w takim krysztale zależy od kierunku polaryzacji pól składowych. Różnica prędkości światła między kryształem a powietrzem jest przyczyną załamania światła, zatem zależnie od polaryzacji światło będzie się załamywało pod różnym kątem
 Gdy wpuścimy do kryształu promień, zostanie on rozdzielony na dwa o połowę słabsze - jeden, normalny, będzie miał jedną polaryzację, a drugi, nadzwyczajny, polaryzację obróconą pod kątem prostym do polaryzacji tamtego. Każdy z promieni ma nieco inny kąt załamania dlatego oddzielają się od siebie:

Niedługo potem Malus odkrył że światło częściowo polaryzuje się przy odbiciu, zaś William Nicol wpadł na pomysł, jak za pomocą dwójłomnego kryształu uzyskać pojedynczą wiązkę spolaryzowanego światła. Wziął on rombowy kryształ szpatu islandzkiego i przeciął na ukos, otrzymując dwa pryzmaty. Połączył je ze sobą cienką warstwą przezroczystego kleju. Wiadomo było wówczas, że promień biegnący wewnątrz przezroczystego materiału może zostać całkowicie odbity, jeśli padnie na jego ścianę pod odpowiednim kątem - z tego prawa korzystają światłowody - połączenie tego z dwójłomnością pozwoliło na oddzielenie powstających dwóch promieni.
Cięcie między dwoma pryzmatami zostało poprowadzone pod takim kątem, że niewiele brakuje aby promień biegnący przez kryształ odbił się całkowicie. Wpuszczamy w kryształ promień zwykłego światła - promień rozdziela się na dwa załamane pod różnym kątem. Mniej załamany normalny biegnie dalej, silniej załamany promień nadzwyczajny odbija się całkowicie i wypada bokiem. Przechodząca wiązka zostaje spolaryzowana.

Dzięki temu urządzeniu można było badać właściwości światła spolaryzowanego, na przykład zabarwianie się minerałów i tworzyw sztucznych wykazujących choć niewielką dwójłomność.
Tym jednak co najbardziej mnie interesuje, jest odkrycie, że po przejściu przez pewne substancje, polaryzacja światła może się zmienić. Aby wygasić całkowicie liniowo spolaryzowane światło, należy umieścić na jego drodze filtr bądź drugi układ pryzmatów, ale obrócony o 90 stopni. Jednak jeśli między nie wsuniemy próbkę jakiejś substancji, jak na przykład roztwór cukru, okaże się że światło już nie jest całkowicie pochłaniane, i aby znów uzyskać ten efekt trzeba obrócić układ o jeszcze pewien kąt.

Zdolność do zmiany płaszczyzny polaryzacji światła to skręcalność optyczna, a substancje które tak robią nazywany czynnymi  optycznie. Czynność ta jest związana z budową cząsteczki o asymetrii polaryzacji a co za tym idzie, asymetrią budowy. W związkach organicznych możliwa jest sytuacja, że cząsteczka może posiadać dwie formy przestrzenne, podobne do siebie jak lustrzane odbicia. Są to cząsteczki chiralne. Szersze wytłumaczenie jak to zachodzi i jakie ma znaczenie, już omawiałem w pewnym artykule.
Gdy światło spolaryzowane przejdzie przez roztwór substancji czynnej optycznie, płaszczyzna w której sytuują się wektory fali elektromagnetycznej, przekręci się o pewien kąt. Ilościowa zdolność do skręcania płaszczyzny to skręcalność, zależna od grubości roztworu, rozpuszczalnika, długości fali świetlnej i stężenia.
Własności te znalazły bardzo szerokie zastosowanie do szybkiego mierzenia zawartości cukru w sokach roślinnych. I takie też ćwiczenie wykonywałem kiedyś na pracowni jeszcze w technikum.

Wzięliśmy jabłko, z którego odważyliśmy określoną ilość miąższu, a ten po rozgnieceniu zalaliśmy odmierzoną ilością wody i zagotowaliśmy:

Po odsączeniu wyciągu wlaliśmy go do polarymetru widocznym na pierwszej fotografii - to bardzo proste urządzenie. Lampa sodowa daje intensywne światło o określonej długości fali, wpadające do urządzenia przez wstępny filtr polaryzacyjny. Następnie przechodzi przez szklaną rurkę w tubie przyrządu gdzie wlany został nasz sok. Na jego drodze staje następnie prostokąt drugiego filtru polaryzacyjnego, o polaryzacji takiej samej jak pierwszy. Gdy w urządzeniu była nieaktywna woda, w okularze widać było jednolity krążek światła:

Jednak zawierający czynne optycznie cukry sok jabłkowy skręcał płaszczyznę światła spolaryzowanego przez pierwszy filtr. Takie światło było więc częściowo zatrzymywane przez drugi filtr i na tle jasnego krążka pojawiał się ciemniejszy prostokąt:

Teraz należało przekręcić małą tarczę przy okularze tak, aby obrócić drugi filtr zgodnie z polaryzacją o pewien kąt. Ten kąt to właśnie skręcalność roztworu. Z boku obiektywu przez małą lupę można było obserwować skalę podającą z jednej strony kąt skręcenia a z drugiej stężenie cukru w roztworze.

Podobne pomiary wykonuję czasem na pracowni. Zasadniczy temat pracy magisterskiej polega na wytworzeniu ligandów do asymetrycznej reakcji Henry'ego. W takiej reakcji powinienem otrzymać mieszaninę chiralnych beta nitroalkoholi z przewagą jednej, pożądanej formy

Ale jak poznać z jak dużą przewagą? Każda forma skręca płaszczyznę polaryzacji światła o taką samą wartość ale w przeciwne strony. Mieszanina 1:1 jest wobec tego nie czynna, zaś każda przewaga którejś z form objawia się jakąś skręcalnością wypadkową. Mając porównanie z danymi literaturowymi, gdzie obie formy oddzielono i ustalono konfigurację, i gdzie podana została skręcalność mieszaniny o ustalonym stosunku, mogę przez własny pomiar w identycznych warunkach określić skład swojej otrzymanej mieszaniny wyrażony w jednostce nadmiaru enancjomerycznego - czyli procentowej nadwyżki jednej z form nad drugą.

Jak na razie najlepszy wynik jednej reakcji to nadmiar 88% ee, ale czekam na więcej.

ps. to mój 150 opublikowany wpis.