non-io

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POLARIMETRIA La polarimetria è una tecnica analitica strumentale che sfrutta il cambiamento di direzione del piano di vibrazione della luce linearmente polarizzata durante il suo passaggio attraverso uno strato trasparente di una sostanza anisotropa (caratteristiche fisiche diverse in tutte le direzioni). Essa trova applicazione prevalentemente nello studio di strutture molecolari e nell’analisi quantitativa delle soluzioni di sostanze otticamente attive, in quanto la direzione e l’entità della rotazione dipendono dal potere rotatorio di queste. La luce e sue proprietà La luce ordinaria è una radiazione elettromagnetica con proprietà simili ad un’onda che si allontana dalla sorgente lungo la linea di propagazione. Un raggio di luce è costituito da due componenti che vibrano su piani perpendicolari tra loro: un campo elettrico ed un campo magnetico, oscillanti, che variano rapidissimamente di verso ed intensità. I piani su cui avvengono le vibrazioni sinusoidali di ciascun campo (elettrico e magnetico) oltre ad essere perpendicolari tra di loro sono perpendicolari alla direzione di propagazione del raggio.

La distanza fra due creste successive è definita lunghezza d’onda (). L’ampiezza della vibrazione corrisponde alla sua intensità. L’energia luminosa consiste di più onde elettromagnetiche che vibrano su piani differenti. La luce “ordinaria”, infatti, vibra su un numero infinito di piani perpendicolari alla direzione di propagazione Luce polarizzata Se questa luce ordinaria passa attraverso un filtro polarizzatore ottico, la luce emergente sarà un raggio il cui vettore elettrico vibra su un singolo piano. L’energia risultante è chiamata luce polarizzata su un piano (o linearmente polarizzata). In realtà la luce piano-polarizzata è la risultante di due componenti polarizzate circolarmente opposte, dirette verso destra e verso sinistra, in concordanza di fase e con uguale frequenza ed ampiezza. Quando una delle due componenti è rallentata da un mezzo chirale i vettori destro e sinistro si troveranno fuori fase e quindi cambierà l’orientamento del piano di polarizzazione. 1

ITIS “G.Galilei” Lab. Biochimica luce ordinaria

luce polarizzata: vettori campi elettrico e magnetico

La luce può anche essere polarizzata circolarmente o ellitticamente: circolarmente, se il piano di oscillazione ruota continuamente, con regolarità periodica, attorno la direzione di propagazione, per cui il vettore rappresentativo del campo elettrico descrive una spirale a proiezione circolare; ellitticamente, se la spirale descritta dal vettore ha proiezione ellittica.

Attività ottica e composti chirali

Si definisce attività ottica la capacità di un composto di ruotare il piano di vibrazione della luce linearmente polarizzata, in una direzione o nell’altra. In genere, le sostanze dotate di asimmetria cristallina o molecolare possiedono questa capacità. Le sostanze anisotrope (asimmetriche) quindi fanno ruotare il piano di vibrazione dell’onda-luce polarizzata, per cui sono otticamente attive. Un esempio è dato dagli zuccheri e dagli amminoacidi. Come è noto, esistono composti organici contenenti uno o più atomi di carbonio al quale sono legati quattro differenti gruppi funzionali. Dal momento che un atomo di carbonio con legami semplici ha una geometria tetraedrica (ibridizzazione sp3), i quattro gruppi funzionali possono esservi legati con due configurazioni diverse, dando origine a due molecole, una immagine speculare dell’altra, cioè una coppia di antipodi ottici (enantiomeri). Questa particolare geometria influenza la trasmissione della luce piano-polarizzata dando a tali molecole la proprietà dell’attività ottica. Quindi, sostanze in grado di ruotare il piano di vibrazione della luce polarizzata sono dette otticamente attive.

Polarizzatori Per l’analisi polarimetrica bisogna disporre di luce polarizzata che si ottiene mediante l’uso di dispositivi detti polarizzatori. Il polarizzatore ha sulla luce naturale una funzione filtrante, che permette di isolare raggi luminosi i cui vettori elettrici vibrano tutti su un solo piano. Sono polarizzatori: - tormalina1 (la sua trasmittanza però dipende dalla lunghezza d’onda) - prisma di Nicol (due prismi di calcite incollati con balsamo del Canadà) - herapatiti2 (sostanze dicroiche ottenute artificialmente) Prisma di Nicol Un cristallo di spato d’Islanda 3viene tagliato in due secondo un piano diagonale B. le due parti vengono poi riunite e saldate con balsamo del Canada4. L’inclinazione del cristallo rispetto al raggio incidente I viene studiata in modo che il raggio ordinario O incida sulla superficie B secondo un angolo superiore all’angolo limite5, mentre il raggio straordinario S può penetrare nel balsamo ed emergere, polarizzato, dalla parte opposta del cristallo. Il raggio O deviato verrà assorbito dalla faccia inferiore annerita del cristallo C.

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Minerale: silicato complesso di metalli diversi, di colore variabile in relazione alla composizione chimica; le varietà trasparenti sono usate come gemme di notevole pregio 2 Sostanze microcristalline polarizzabili elettricamente di origine sintetica derivate da reazioni dello iodio con solfato di chinino 3 Varietà limpida di calcite, in grossi cristalli utilizzabili per strumenti ottici. 4 Liquido secreto da varie piante, costituito per lo più da resine, che all’aria diviene vischioso o solido 5 Valore di angolo oltre il quale si ha riflessione e non rifrazione (quando l’angolo di rifrazione tende a 90°, l’angolo di incidenza assume valore di angolo limite) 2

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Quando un raggio di luce naturale, monocromatico penetra nel prisma, esso subisce rifrazione e viene sdoppiato in due raggi linearmente polarizzati (fenomeno della birifrangenza), uno detto ordinario e l’altro straordinario, con piani di polarizzazione perpendicolari tra loro. Il raggio ordinario incide sulla faccia interna del prisma con un angolo tale da farlo riflettere totalmente all’interno e da venire assorbito da una parete appositamente annerita; il raggio straordinario incide sulla faccia interna del prisma con un angolo tale da passare inalterato. Dal prisma di Nicol emerge pertanto un raggio pianopolarizzato parallelo al raggio naturale incidente.

Polarimetro I polarimetri sono gli strumenti che permettono di misurare il potere rotatorio di sostanze otticamente attive. Il cuore di un polarimetro è costituito dal materiale anisotropo che, grazie al fenomeno della birifrangenza, è in grado di polarizzare la luce. Birifrangenza Un raggio di luce ordinaria r, che attraversa un mezzo anisotropo, si sdoppia nei raggi O (ordinario) e S (straordinario) polarizzati perpendicolarmente tra di loro. Il fenomeno è detto anche doppia rifrazione perché entrambi i raggi risultano deviati rispetto alla direzione del raggio incidente, ma con un diverso indice di rifrazione e risultano polarizzati linearmente su piani ortogonali. I componenti principali di un polarimetro sono: 1. sorgente luminosa 2. polarizzatore 3. tubo polarimetrico 4. analizzatore 5. oculare 6. scala per misurare l’angolo di rotazione

(A) Schema di un comune polarimetro ottico S =sorgente P =polarizzatore principale Pa =polarizzatore ausiliario, parallelo al principale T =tubo contenente il campione An =polarizzatore analizzatore, perpendicolare al principale, ruotabile e montato su un nonio Lc e Lf =lenti O =oculare (B) Nella fase di azzeramento il polarizzatore An viene ruotato finché nell’oculare O non si nota una condizione di penombra uniforme. A questo corrisponde una posizione b del nonio. (C) Quando viene introdotto nel tubo un campione otticamente attivo, nell’oculare si notano due semicerchi di diversa intensità. (D) Infine si ruota An fino a ripristinare la condizione di penombra uniforme (posizione c del nonio). La differenza fra c e b corrisponde all’angolo di rotazione della luce polarizzata dovuto al campione. 3

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In una prima fase il polarizzatore ausiliario e l’analizzatore vengono allineati in modo tale che, quando il tubo è vuoto o riempito di opportuno solvente, all’oculare si possano osservare due semicerchi illuminati di luce gialla con la medesima intensità. In seguito si ruota l’analizzatore per realizzare le condizioni di massima oscurità ed in corrispondenza di questa posizione viene controllata la posizione dello zero. In un secondo momento si introduce la soluzione campione nel tubo e si fa ruotare l’analizzatore in modo da ripristinare le condizioni di uguale intensità dei due semicerchi attraverso l’oculare. Un nonio fornirà l’entità dell’angolo di rotazione misurato.

Valutazione del segno del potere rotatorio Per convenzione, le sostanze che ruotano verso destra il piano della luce polarizzata sono dette destrogire, al contrario, se lo ruotano verso sinistra sono dette levogire. E’ importante sottolineare che non si può dedurre il segno del potere rotatorio specifico di una sostanza incognita con una sola determinazione polarimetrica. In assenza, o con tubo polarimetrico vuoto si ha campo dell’oculare uniforme in corrispondenza di 0° e di 180°; introducendo il mezzo otticamente attivo, si ristabilisce l’estinzione (campo dell’oculare uniforme) facendo ruotare l’analizzatore di un angolo , ma anche facendolo ruotare in senso opposto di  - 180° Per evitare errori nella valutazione, quando la sostanza in esame non è nota, è indispensabile fare una doppia misurazione utilizzando nella seconda un tubo di lunghezza metà del precedente: - se la sostanza è destrogira si otterranno valori corrispondenti ad /2 e /2 ± 180. - se la sostanza è levogira si otterranno valori corrispondenti ad -180/2 e -180/2 ± 180. Dagli angoli trovati nella seconda misura è possibile ricavare il valore corretto. Esempio

La misurazione su una sostanza attiva, in tubo da 4 dm, dà l’uniformità di campo a +78° () ed a –102° (-180). Ripetendo la misura in tubo da 2 dm si trovano i valori –51° e +129°; la rotazione di –51° soddisfa la relazione (-180)/2 per cui si deduce che la sostanza è levogira e poiché si è utilizzato un tubo polarimetrico di 2 dm il suo potere rotatorio specifico sarà [] = –51°/2 = –25,5°

Rotazione ottica Per un composto otticamente attivo l’angolo di rotazione sperimentale  (espresso in gradi) del piano di polarizzazione dipende dalla concentrazione c del composto, dalla lunghezza del cammino l e da un fattore k, dove k è una caratteristica del composto, detta “potere rotatorio specifico”

=c•l•k

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Potere rotatorio specifico Il potere rotatorio specifico, o [], è una costante fisica e quindi una proprietà intrinseca dei composti che presentano attività ottica. E’ una grandezza che rappresenta la rotazione in gradi provocata da un grammo di sostanza sciolto in 100 ml di soluzione, posta in un tubo polarimetrico di 1 dm; esso dipende dalla temperatura e dalla lunghezza d’onda utilizzata; si indica con: o, standardizzando questi parametri a 20° e riga D dello spettro del sodio, con:

t

[] 

20

[] D

per cui sostituendo nella formula precedente: 20

da cui:

 = c • l •[]

20



[] =

D

D

c • l

Da questa relazione, conoscendo il potere rotatorio specifico, è possibile ricavare facilmente, dalla misura dell’angolo , la concentrazione incognita di una soluzione. 20

c =  • 100 / l • [] D

esempio di calcolo del potere rotatorio specifico: una soluzione contenente in 10 ml 400 mg di soluto è posta in una cella di 10 cm di lunghezza; la rotazione osservata in questo campione a 20°C usando la riga D del sodio è di +4,36°. Calcolare la rotazione specifica del soluto. La concentrazione è di 400 mg / 10 ml, cioè 0,4 g /10 ml, cioè ancora 4 g / 100 ml; per cui sostituendo

20

+4,36 • 100

= + 109°

[] = D

4 • 1

5