Явление оптической изомерии: что это такое, примеры

Оптическая изомерия – это явление возникновения изомерных молекул с асимметричным атомом, которые отличаются по оптической активности. Они обладают другой способностью искривлять плоскость поляризации мира. Некоторые поворачивают эту плоскость вправо, другие – влево.

Первая половина 19 века была временем поиска ответов на вопрос “Что такое поляризованный свет и оптическая активность?”. А знаете ли вы ответ на этот вопрос? Если нет, то эта статья вам может помочь в этом.

Поляризация света

Свет – это пучок волн, распространяющихся в разных направлениях. Плоскости колебаний волн могут быть представлены графически с помощью векторов.

Плоскости колебаний электромагнитных волн как векторы
Рис. 1. Плоскости колебаний электромагнитных волн как векторы. Источник: GroMar Sp. z o.o., лицензия: CC BY-SA 3.0

Можно изменить направление распространения электромагнитной волны. Если свет пропустить через соответствующее устройство, так называемый поляризатор, то большая часть колебаний будет погашена.

Поляризатор – это оптическое устройство, через которое получают поляризованный свет, т.е. свет, в котором волновые колебания происходят в одной плоскости.

Поляризатор действует как щелевая система и пропускает только те волны, которые распространяются параллельно щели. Плоскость колебаний электромагнитных волн после прохождения через поляризатор является так называемой плоскостью поляризованного света. Это единственная плоскость света, которая не гасится поляризатором.

Поляризатор - принцип работы
Рис. 2. Поляризатор – принцип работы. Источник: GroMar Sp. z o.o., лицензия: CC BY-SA 3.0

Конструкция поляриметра

Для определения положения плоскости поляризованного света используется прибор, называемый поляриметром. Его схема может быть представлена следующим образом (см. рисунок 3):

Схема конструкции поляриметра
Рис. 3. Схема конструкции поляриметра. Источник: GroMar Sp. z o.o., лицензия: CC BY-SA 3.0.

На рисунке 3 обозначено цифрами:

  1. Окуляр для наблюдения за световым лучом.
  2. Анализатор. Вид поляризатора, позволяющий измерять угол (в градусах) поворота плоскости поляризации света.
  3. Поляриметрическая трубка. Ёмкость с испытательной жидкостью.
  4. Кварцевая пластина (так называемая пластина Лорана). Затемняет центральную часть луча и таким образом делит поле зрения на три части.
  5. Объектив.
  6. Поляризатор. Оптическое устройство, через которое свет распространяется в одном направлении.
  7. Источник света.

Если оси поляризатора и анализатора расположены под прямым углом 90º друг к другу и внутри поляриметрической трубки нет оптически активного вещества, или трубка пуста, то свет не попадает в глаз наблюдателя. Что это означает на практике? В окуляре видно полностью затемненное поле зрения. Наблюдатель должен видеть на шкале нулевое значение или это значение должно быть слегка отклонено от нуля. Показания на шкале определяются как α1 .

Что происходит, когда оптически активное вещество помещают в поляриметрическую трубку?

Плоскость поляризованного света может быть повернута на определенный угол (влево или вправо) только в том случае, если на ее пути находится оптически активное вещество, так называемый оптический изомер. Затем часть света проходит через анализатор и попадает в глаз наблюдателя через окуляр, а часть поля зрения остается затемненной. Чтобы полностью погасить световой луч, наблюдатель должен повернуть анализатор влево или вправо. Угол поворота анализатора обозначается как α2 .

Дадим пояснения некоторым терминам:

Оптический изомер – хиральное соединение, обладающее способностью поворачивать плоскость поляризованного света вправо или влево.

Оптическая активность вещества – свойство вещества, обусловленное тетраэдрической геометрией атома в молекуле (так называемый асимметричный атом), которое проявляется в искривлении плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через раствор этого вещества; если вещество не является оптически активным, оно не искривляет плоскость поляризованного света.

Угол поворота плоскости поляризации света, так называемое оптическое вращение образца, рассчитывается по формуле: α = α2α1 .

Поляризованный свет может быть искажен двумя способами:

  1. Вещество искривляет плоскость поляризованного света в право. О таком веществе говорят, что оно правостороннее. Направление кручения плоскости поляризованного света – по часовой стрелке и обозначается в названии соединения знаком (+).
  2. Вещество искривляет плоскость поляризованного света в лево. О таком веществе говорят, что оно левостороннее. Направление кручения плоскости поляризованного света – против часовой стрелки и обозначается знаком (-) в названии соединения.

Важно! Оптической активностью обладают как кристаллы (например, кварц, сахар), так и жидкости (например, никотина), а также растворы твердых тел в оптически неактивных жидкостях, например, раствор сахара в воде. Основной причиной искривления плоскости поляризации является взаимодействие световой волны и электронов молекулы.

Энантиомеры искривляют плоскость поляризованного света на один и тот же угол, но в противоположном направлении. Пример: если энантиомер A поворачивает плоскость поляризованного света на угол +7° (вправо), то энантиомер B той же концентрации поворачивает плоскость на угол -7° (влево).

Удельное вращение

Для того чтобы учесть все условия измерения, определяется так называемое удельное вращение. Он рассчитывается по формуле:

Формула удельного вращения
  • λ – длина волны света;
  • T – температура измерения [ K ];
  • α – угол поворота плоскости поляризации света;
  • с – концентрация раствора [ г / см3 ];
  • l – длина поляриметрической трубки [ дм ].

Поэтому угол поворота плоскости поляризации света зависит от:

  • концентрация образца;
  • длина поляриметрической трубки.

Важно отметить, что удельное вращение определяется при определенной длине волны света, проходящего через образец, и при точно известной температуре измерения.

Список использованной литературы

  • Горжински Смит Дж., Органическая химия, третье издание, Нью-Йорк 2011.
  • Saunders N., Saunders A., Clinton S., Parsonage M., Poole E., AS Chemistry for AQA Student Book, Oxford 2007
  • Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.