Retta di calibrazione del polarimetro

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1 INDICE Generalità Caratteristiche tecniche Componenti dello strumento Metodo operativo Manutenzione Retta di calibrazione del polarimetro Realizzazione

2 Home Caratteristiche tecniche del nostro polarimetro in dotazione al laboratorio di chimica Campo di misura (rotazione ottica): ±180 Risoluzione: 1 Precisione: ±0.05 Ingrandimenti massimi: x4 Sorgente luminosa monocromatica: Lampada al sodio λ =589.3nm Lunghezza dei tubi di misura: 100 mm e 220 mm Oculare con messa a fuoco fine Tempo di stabilizzazione: 5 min. Tensione di alimentazione: 220 V, 50 Hz Corrente assorbita: 1.3 A Potenza assorbita: 20 W Peso: 1.4 kg Dimensioni: i i 540x220x380 (mm)

3 Home Principio di funzionamento e caratteristiche costruttive dello strumento >> Componenti dello strumento 1. Sorgente luminosa (lampada al sodio) 8. Lente dell oggetto 2. Lente 9. Oculare 3. Filtro colorato 10. Lente d ingrandimento 4. Polarizzatore (prisma di Laurent) 11. Nonio 5. Mezzo piatto 12. Disco di rotazione manuale 6. Tubo di misura 13. Protezione del piatto di misura 7. Analisi polarizzazione

4 Home Il polarimetro: << Indietro Avanti >> Il polarimetro è uno strumento utilizzato specialmente in chimica per il riconoscimento di vari enantiomeri nei composti stereoisometrici. t i i

5 Home << indietro Il polarimetro è formato da una lampada al sodio che emana un fascio di luce che arriva sino al prisma polarizzatore. Normalmente il fascio di luce vibra in tutti i piani e in tutte le direzioni; il prisma polarizzatore, che alcune volte è formato da calcite, permette alla luce di passare solo in un determinato piano. Si avrà quindi dopo il prisma (di Laurent) polarizzatore un fascio di luce che vibra in un solo piano. La luce polarizzata cosi prosegue il suo percorso attraversando il porta campione in cui si inserisce la sostanza che si vuole esaminare. Il fascio poi arriverà sino al prisma analizzatore che devia il fascio luminoso sino all'oculare. Molte sostanze otticamente attive tra cui gli enantiomeri, ruotano la luce polarizzata di un certo angolo che è caratteristico per ogni sostanza. Nel caso dei due enantiomeri di un dato composto, la luce vibrerà e verrà ruotata di un certo angolo che è caratteristico per ogni sostanza. Ruotando, la luce non illuminerà completamente l'oculare ma solo in parte; per illuminare completamente l'oculare basta ruotare il prisma tramite un apposita manopola dell'angolo l specifico di rotazione della sostanza. I due enantiomeri ruotano quindi la luce nello stesso angolo ma in direzioni opposte, in senso antiorario e in senso orario; essi vengono chiamati dunque Levogiro (L) o Destrogiro (D). Se si inserisce nel polarimetro una sostanza non otticamente attiva, l'oculare sarà completamente illuminato; stesso discorso vale nel caso si inseriscano nella provetta campione entrambi gli enantiomeri i in rapporto 1:11 ; in questo caso la sostanza prenderà il nome di Racemo.

6 Home << Indietro Gli Enantiomeri Sono dette enantiomeri,, isomeri ottici o antipodi ottici due molecole identiche in tutto, salvo l'essere una l'immagine speculare dell'altra non sovrapponibili tra loro. Le molecole che manifestano questa isomeria sono dette chirali; la chiralità è la proprietà delle molecole non sovrapponibili alla propria immagine speculare. Tali molecole non posseggono né piani di simmetria né centri di inversione. M d lli l l i d i d Modelli molecolari dei due enantiomeri dell acido lattico

7 Home << Indietro Stereoisomeria i oisomeria i ottica Stereoisomeria o isomeria ottica: le due molecole riportate in questo esempio differiscono solamente per il fatto di essere l'una l'immaginei speculare non sovrapponibile dell'altra. lt Due stereoisomeri che sono l'uno l'immagine speculare non sovrapponibile dell'altro si dicono enantiomeri (in questo caso, l'elemento stereogenico è un punto, cioè un carbonio). Questa proprietà è anche detta chiralità.

8 Home << Indietro Chiralità Chiralità Proprietà geometrica di tutti gli oggetti che esistono in due forme distinte, t simili ili ma non sovrapponibili l una con l altra, lt in quanto immagini speculari l una dell altra. Il termine deriva dal greco cheir, mano, l esempio più comune di corpo chirale: l immagine speculare della mano destra, infatti, è la mano sinistra, notoriamente non sovrapponibile alla prima. In chimica, la chiralità è una caratteristica propria di numerose coppie di composti organici, le cui molecole presentano la medesima composizione, ma una diversa disposizione dei costituenti; in altri termini, due composti chirali possiedono la stessa formula bruta, ma diversa formula di struttura. Si tratta quindi di una forma di isomeria, e più specificamente di isomeria ottica. In generale, una coppia di composti chirali (detti enantiomeri) condividono la maggior parte delle proprietà chimico-fisiche, quali solubilità, densità, punto di solidificazione e di ebollizione, ma hanno una diversa attività ottica. Inoltre, nelle interazioni con i sistemi biologici producono effetti anche profondamente diversi. Quest ultima caratteristica è particolarmente importante in farmacologia: esistono composti chirali che, in una delle due forme, producono determinati effetti, mentre nell altra producono addirittura effetti dannosi.

9 Home Manutenzione Lo strumento deve essere mantenuto in ambiente pulito e ventilato con temperatura e umidità entro valori normali (circa % UHR). Si consiglia un utilizzo continuo della lampada al sodio per un tempo non superiore a 4 ore consecutive. Dopo l utilizzo il tubo di misura deve essere accuratamente pulito con acqua distillata. Non utilizzare materiali abrasivi per pulire le parti ottiche dello strumento (carta compresa). Tenere lo strumento sempre coperto (quando non in utilizzo) per evitare l introduzione di polvere. Non smontare lo strumento; eventuali errori nell assemblaggio sia meccanici che di allineamento possono pregiudicare irrimediabilmente la precisione dello strumento. Nel caso in cui la lampada al sodio non emetta luce gialla, verificare che la tensione di alimentazione i sia corretta (220 V).

10 Home << Indietro Avanti >> Foto 1

11 Home << indietro Foto 2

12 Home Calibrazione (o taratura) del polarimetro << Vedi formule Vedi grafico >> SOSTANZA ROTAZIONE OSSERVATA (α ) CONCENTRAZIONE ( C ) g/ml GLUCOSIO SOL. MADRE 20,7 0,2 GLUCOSIO 1 10,35 0,1 GLUCOSIO 2 5,2 0,05 GLUCOSIO 3 2,1 0,02

13 << Indietro Home CURVA DI CALIBRAZIONE (O TARATURA) DEL POLARIMETRO 25 ROTAZION NE OSSER RVATA [α ] ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 CONCENTRAZIONE [C] g/m l

14 Home Avanti >> Metodo operativo Preparazione: Preparare la soluzione da analizzare quindi lasciarla riposare. Posizionare la soluzione all interno del tubo di misura. Avvertenza: non avvitare con troppa forza i bulloni di tenuta in quanto si possono generare tensioni meccaniche che pregiudicano l accuratezza di misura. Connettere la tensione di alimentazione, accendere la lampada al sodio ed attendere per circa 10 minuti; solo quando la lampada ha raggiunto il regime termico (colore giallo), si possono effettuare le osservazioni. Controllare la posizione di zero iniziale;nel caso in cui lo zero non sia corretto,svitare le 4 viti poste sul coperchi del piatto di misura ed effettuare l allineamento ruotando il piatto stesso (questo sistema consente correzioni massime dell ordine di 0,5 max.) oppure prendere nota dello scostamento per apportare la dovuta correzione dell angolo dopo l analisi.

15 << Indietro Home Misura: 1. Aprire il coperchio dall obiettivo e inserire il tubo di misura all interno del cono di misura (verificare la presenza di eventuali bolle d aria), quindi richiudere il coperchio e mantenere il bulbo del tubo di misura verso l alto per facilitare il raggiungimento in superficie di eventuali bolle d aria. 2. Regolare l oculare in modo che le tre sezioni di campo diventino nitide e distinte. 3. Ruotare il disco manuale fino a quando le visioni i i del campo non diventino uguali. 4. Leggere attraverso la lente d ingrandimento l angolo venutosi a creare attraverso la rotazione del suddetto disco. 5. In accordo con le formule precedentemente descritte, calcolare il peso specifico, la concentrazione, purezza e il contenuto della sostanza.

16 << Indietro Home Avanti >> Principio di funzionamento dello strumento: La luce generata dalla lampada al sodio (1), passa attraverso la lente (2) ed il filtro colorato (3) divenendo una luce acromatica lineare. Successivamente la luce raggiunge il polarizzatore (4), e quindi l analizzatore (7), solidale con il cannocchiale (8) e l oculare (9) che consente di mettere a fuoco il diaframma (5). Il cannocchiale è alloggiato all interno di un collare graduato con nonio (11) dove, guardando attraverso due lenti di ingrandimento (10), si possono apprezzare le rotazioni angolari generate dalla sostanza otticamente attiva agendo sul disco di rotazione manuale (12). Ogni polarizzatore è costituito da: Una sorgente di luce monocromatica (nel presente strumento è costituita da una lampada al sodio). Un polarizzatore (prisma di Laurent) che ha la funzione di polarizzare linearmente la luce della sorgente. Un analizzatore che ha la funzione di analizzare la luce emessa dal polarizzatore. Un cannocchiale solidale con l analizzatore che può ruotare intorno ad un asse longitudinale. l

17 Home << Indietro Avanti >> Normalmente polarizzatore e analizzatore sono disposti in modo che i loro piani di polarizzazione siano paralleli o perpendicolari. In assenza di sostanza attiva, nel primo caso si ottiene in uscita dal canocchiale massima luminosità; nel secondo caso si ottiene oscurità totale. t Inserendo tra l analizzatore e il polarizzatore la sostanza otticamente attiva si altera la condizione iniziale che si può ripristinare ruotando l analizzatore dello stesso angolo α di cui la sostanza attiva ha fatto ruotando il piano di vibrazione della luce polarizzata trasmesso dal polarizzatore. Purtroppo l occhio umano non è in condizioni di rilevare variazioni di intensità luminosa troppo piccole. Al fine di ovviare a questo inconveniente vi sono parecchi sistemi per esaltare la sensibilità dell occhio. All interno del campo di visione appare, in assenza della sostanza da analizzare, una visione di campo come quella riprodotta in Fig. 2. L azzeramento lo si ottiene ruotando il disco (12) fino a quando appare una visione di campo uguale a quella mostrata in Fig. 3. A questo punto si può inserire la sostanza da esaminare e ripetere le operazioni precedentemente descritte; sul vetro di ingrandimento si può eseguire la lettura dell angolo generato dall attività ottica della sostanza così come mostrato in Fig. 4.

18 << Indietro Home Cambiamento del campo di visione Il cambiamento di visione del campo da posizione 0,si ottiene dopo aver introdotto nel tubo di misura la soluzione da esaminare.

19 << Indietro Home Agire sull apposita manopola (12) fino a quando la visione all interno dell oculare, l assume l aspetto della figura sottostante, t t cioè quando si ha uguale intensità luminosa nelle tre sezioni del campo visivo. Dopo aver ruotato l analizzatore di polarizzazione, l intensità luminosa nelle tre sezioni del campo di misura diventa uniforme; allineamento a 0 (posizione del campo prima di introdurre la soluzione.

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21 << Indietro Home Caratteristiche costruttive: Al fine di ottimizzare le operazioni di misura, il sistema ottico viene montato su una base inclinata di 20. La sorgente luminosa è costituita da una lampada al sodio, potenza 20 W (lunghezza d onda 589,3nm), il fusibile di protezione è montato sulla base dell intelaiatura della lampada stessa. I polarizzatori dello strumento sono tutti in materiale polyvinilico, il sistema della ti tripla visione i del campo di misura è costituito da un prisma di Laurent in quarzo; l angolo di rotazione del campo è regolabile (in origine l angolo di rotazione è intorno ai 3 ). Al fine di eliminare gli errori dovuti ad eventuali eccentricità, lo strumento è dotato di un doppio nonio di lettura; la scala di misura è divisa in 360 divisioni ed ogni divisione corrisponde a 1.Il nonio è a sua volta diviso in 20 divisioni che corrispondono a 19 divisioni della scala di lettura. Questo sistema consente di effettuare letture con risoluzione di 0,05 (vedi Fig. 4). Il sistema di lettura è quindi composto oltre che dal nonio anche da una scala fissa così come fisso è l analizzatoreli di polarizzazione. i Il disco di rotazione manuale ha lo scopo di permettere la messa a punto fine dello strumento, due lenti di ingrandimento (4x) sono montate davanti al nonio per consentirne una più facile lettura.

22 Home Avanti >> Generalità La polarizzazione lineare: L interferenza e la diffrazione dimostrano la natura ondulatoria delle radiazioni ottiche. Non precisano però il tipo di oscillazioni che formano tali onde, in quanto entrambi i fenomeni possono essere interpretati sia ammettendo che tali oscillazioni siano longitudinali che trasversali. La polarizzazione invece dimostra chiaramente la natura trasversale delle onde ottiche, dando così conferma sperimentale della teoria di Maxwell secondo la quale tutte le oscillazioni elettromagnetiche sono trasversali in quanto sia il vettore elettrico E sia quello magnetico H oscillano in direzioni perpendicolari p alla direzione di propagazione, formando con quest ultima una terna mutuamente ortogonale.

23 Home << Indietro Avanti >> Nel caso in cui il vettore elettrico e, di conseguenza, il vettore magnetico H, oscillino sempre nello stesso piano, allora l onda elettromagnetica è polarizzata linearmente. Il piano XZ contenente il valore E è definito piano di vibrazione dell onda polarizzata, mentre il piano XY contenete il valore H è definito, secondo una vecchia origine storica, piano di polarizzazione. Alfinedievitare ambiguità nell uso dei termini, qui si farà riferimento sempre e soltanto al piano di vibrazione. Diversi sono i metodi per ottenere la polarizzazione lineare di una radiazione ottica. Il più semplice di essi è fare uso di filtri polarizzatori (polaroidi), costituiti da cristalli (generalmente di iodosolfato di chinina) i orientati ti lungo la stessa direzionei e montati ti su un supporto trasparente.

24 << Indietro Home La mutarotazione La mutarotazione è un fenomeno, osservato per la prima volta nel 1846, che consiste nel cambiamento di potere rotatorio osservato per alcuni carboidrati in soluzione. Il diverso comportamento ottico deriva dall'instaurarsi di un equilibrio tra la forma a catena aperta (termodinamicamente sfavorita e presente solamente in tracce) e i diversi anomeri emiacetalici ciclici. Ad esempio, col passare del tempo si nota che il potere rotatorio di una soluzione di α-d- glucopiranoso (glucosio) dal valore originario di tende a diminuire fino a raggiungere, dopo essere trascorso un certo periodo di tempo, il valore Quest'ultimo valore di potere rotatorio è quello corrispondente alle condizioni di equilibrio, condizioni nella quali predomina l'anomero più stabile. Anche i disaccaridi che possiedono un carbonio anomerico presentano la mutarotazione: ad esempio maltosio e lattosio mostrano variazione del potere rotatorio, invece il saccarosio possedendo un legame 1,11 tra glucosio e fruttosio non ha atomi di carbonio anomerici e non presenta mutarotazione. Anche i polisaccaridi, come la cellulosa, non mostrano mutarotazione a causa delle dimensioni della molecola.

25 << Indietro Home Equilibrio tra la forma a catena aperta e le forme anomeriche relative al glucosio. α-d-glucopiranoso possiede potere rotatorio mentre β-d- glucopiranoso ruota il piano della luce polarizzata di Dopo mutarotazione si osserva un valore di equilibrio corrispondente a

26 << Indietro Home Per la costruzione della retta di calibrazione, dalla soluzione madre di glucosio si preparano tre soluzioni da 100 ml per diluizione allo scopo di ottenere altri tre punti per la costruzione della retta (ovviamente le soluzioni preparate vanno lasciate a riposo per circa un ora al fine di evitare il fenomeno della mutarotazione). Ricordiamo adesso le formule necessarie per la costruzione del grafico: Come ben sappiamo l attività ottica di una data sostanza si definisce come rotazione specifica [α] ed è un valore numerico che si ottiene dalla seguente formula: 20 C [α]d = α * 100 l * C Da questa formula è possibile ricavare la concentrazione: C = α [α] * l

27 Home Realizzazione Un progetto realizzato a cura degli alunni: Porfido Davide & De Bellis Sebastian Classe 5^ sez. F Sotto la supervisione del docente di chimica e scienze: Prof. Giannini Leonardo A.S Liceo Scientifico Statale Leonardo da Vinci Cassano delle Murge (Bari)