Теоретическая часть. В растворах оптически активных веществ кинетику реакций изучают по изменению угла вращения плоскости поляризации

В растворах оптически активных веществ кинетику реакций изучают по изменению угла вращения плоскости поляризации.

Сахароза под влиянием иона водорода минеральной кислоты, являющегося катализатором, присоединяет воду, распадаясь на два вещества – глюкозу и фруктозу:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → С₆Н₂₂О₆ + С₆Н₂₂О₆

глюкоза фруктоза

К= lg , где

С₀ – начальная концентрация сахарозы; х – концентрация сахарозы к моменту времени.

Эту реакцию можно рассматривать как мономолекулярную, так как концентрация воды здесь практически не изменяется. Для определения скорости инверсии сахарозы применяют поляриметр – прибор, при помощи которого определяют угол вращения плоскости поляризации.

Если на пути луча света поставить две призмы Николя одна за другой, то при одинаковой кристаллографической ориентировке обоих николей свет, поляризованный в первом николе (поляризаторе), проходит через второй николь (анализатор). Если анализатор повернут на 90° против параллельного его положения, то получится положение скрещенных николей, при котором весь свет, пропускаемый поляризатором, уничтожается анализатором.

В зависимости от угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора за последним будет наблюдаться большая или меньшая освещенность поля. Если между николями, находящимися в скрещенном состоянии, поместить оптически активное вещество, то поле зрения, темное до этого, становится светлым. Это происходит потому, что свет, вышедший из поляризатора, пройдя через вещество, изменяет направление колебаний и не является перпендикулярным к направлению колебания анализатора.

Различают правовращающие и левовращающие вещества, в зависимости от направления производимого вращения. К правовращающим веществам относят такие, которые вращают плоскость поляризации в направлении часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу. Для однородных веществ угол вращения пропорционален длине слоя, через который проходит свет. Он также зависит от температуры, длины волны применяемого света и в случае газов от давления. Для оптически активных веществ угол вращения зависит от концентрации раствора, если растворитель оптически не активен.

Для сравнения свойств различных оптически активных веществ обычно рассматривают угол удельного вращения.

Угол удельного вращения плоскости поляризации - угол измеренный при 20°С, при прохождении света через раствор, содержащий 1 г вещества в 1 см³, толщиной в 1 дм.

Раствор чистой сахарозы вращает плоскость поляризации вправо, его удельное вращение 66,56°, а смесь глюкозы (52,8°) и фруктозы (91,90°) – влево. По мере инверсии правое вращение раствора уменьшится, а в конце опыта раствор вращает влево. То есть реакция смещается в сторону образования глюкозы и фруктозы. Угол α вращения раствора пропорционален концентрации растворенных веществ.

Поэтому скорость инверсии количественно можно характеризовать изменением угла вращения во времени. Следовательно, вместо концентраций в уравнение константы скорости реакции можно подставить пропорциональные им разности соответствующих углов вращения α, обозначив:

С₀= α₀– α_∞ и С_t= α_t – α_∞

тогда

К= lg = lg ,

где α₀ – начальный угол вращения; α_∞ – предельный угол вращения, после окончания инверсии; α_t – угол вращения в данный момент.

Определение угла вращения плоскости поляризации производят в приборе – поляриметре.

Описание прибора. Основные части поляриметра: поляризатор, превращающий свет, попадающий в него, в поляризованный, и анализатор, при помощи которого измеряют величину угла вращения плоскости поляризации луча. И поляризатор и анализатор представляют собой призмы какого-либо минерала, кристаллы которого обладают свойствами двойного лучепреломления.

Если между поляризатором, закрепленным неподвижно, и анализатором поставить трубку с раствором оптически активного вещества, то плоскость поляризации изменится на определенный угол.

Плоскостью поляризации называется плоскость, перпендикулярная плоскости колебаний в поляризованном луче. Чтобы скомпенсировать вращение плоскости поляризации раствором и таким образом определить угол вращения плоскости поляризации исследуемым веществом, нужно повернуть анализатор в противоположную сторону на такой же угол.

Рис. 9. Схема полутеневого поляриметра

Между поляризатором П и трубкой Т с исследуемым раствором ставят второй николь П₁, вдвое меньший, он прикрывает половину отверстия диафрагмы поляризатора и повернут на 2-3° относительно поляризатора П. Поэтому поле зрения, видимое в окуляре, делится на две части.

Допустим, что анализатор А установлен «на темноту» относительно николя П. Тогда одна половина поля будет затемнена, а вторая слабо освещена. Если же анализатор А установлен «на темноту» относительно николя П₁, то, наоборот, первая половина поля будет слабо освещена, а вторая затемнена. Поскольку разница между этими двумя положениями анализатора А составляет 2-3°, можно найти такое положение, при котором оба поля будут равномерно слабо освещены – положение оптического равновесия. Отсчет угла вращения производится по круговой шкале и нониусу.