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Tutorial MenueWellenoptikLerneinheit 13 von 23

Polarisation von Licht - Grundlagen

Polarimetrie

Konzentrationsbestimmung von Lösungen optisch aktiver Stoffe mit Hilfe polarisierten Lichtes - Polarimetrie

Aus der Polarisierbarkeit von Licht lässt sich in der analytischen Chemie (Analytik) direkter Nutzen ziehen, und zwar bei der Konzentrationsbestimmung von Lösungen optisch aktiver Stoffe. Dieses Verfahren nennt man auch Polarimetrie. Zu beachten ist hierbei jedoch immer das jeweilige Mischungsverhältnis der gelösten Paare von Enantiomeren. Kurz gesagt unterscheiden sich gelöste Enantiomere einer Verbindung dadurch, dass sie die Polarisationsebene von einfallendem, linear polarisiertem Licht um den gleichen Winkel α , jedoch in entgegengesetztem Drehsinn drehen.

Rechts- bzw. linksdrehende Stoffe
Eine Substanz heißt rechtsdrehend, wenn sie die Polarisationsebene des Lichtes im Uhrzeigersinn dreht. Dreht sie diese dagegen im Gegenuhrzeigersinn, so nennt man sie linksdrehend.
Drehwinkel der Polarisationsebene nach Durchtritt durch eine optisch aktive Lösung
Der Betrag des Drehwinkels α ist dabei direkt proportional zur Konzentration c (wenn beide Enantiomere gemischt sind, zu deren Konzentrationsdifferenz!) der gelösten Verbindung, also α c .
Je mehr optisch aktive Moleküle gelöst sind, desto größer wird natürlich ihr resultierender Effekt sein. Deswegen ist der Drehwinkel auch proportional zur Strecke d , die das Licht in der optisch aktiven Lösung zurücklegt, also α d c .
Die Proportionalitätskonstante α 0 nennt man (spezifisches) Drehvermögen, sie besitzt die Einheit [ cm 2 g ] , wenn hierbei die Konzentration, wie oft üblich, in g cm 3 angegeben wird. Das Drehvermögen α 0 lässt sich für alle optisch aktiven Verbindungen durch Normallösungen (solche besitzen eine bekannte Konzentration) ermitteln. Aus diesen Überlegungen ergibt sich für den Drehwinkel α einer optisch aktiven Verbindung die folgende Formel: α = α 0 d c

Speziell für den Chemiker wichtig: Racemate (1:1 Gemische eines Enatiomerenpaares) zeigen keine Nettorotation, da beide Enantiomere in der gleichen Konzentration gelöst sind und sich in ihren Beiträgen gegenseitig aufheben.

Bei genaueren Untersuchungen stellt man fest, dass das Drehvermögen α 0 zusätzlich von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichtes sowie von der Temperatur ϑ der Lösung abhängt.

Die wohl gebräuchlichste Anwendung ist die Saccharimetrie, bei welcher die Konzentrationen von gelösten Zuckern (z.B. im Urin) bestimmt werden. Im folgenden Video sehen Sie, wie eine Küvette mit Saccharoselösung (Länge d = 9,60  cm ) zwischen zwei gekreuzte Polarisatoren gestellt wird.

Saccharose kommt in der Natur nur rechtsdrehend als Disaccharid aus D-Glucose und D-Fructose vor. Wir haben also nur ein einziges Enantiomer in unserer Lösung.

Bevor die Küvette in den Strahlgang gestellt wird, herrscht Dunkelheit. Während sie platziert wird, lässt sich eine Aufhellung hinter dem zweiten Polarisator beobachten, da die Zuckerlösung die Polarisationsebene des Lichtes dreht.

Anschließend wird der zweite Polarisator solange zurückgedreht, bis erneut Verdunklung eintritt. Wir beobachten, dass dies bei einem Nachdrehen im Uhrzeigersinn, also rechts herum, passiert. Die gemessene Winkeldifferenz zur Kreuzstellung ergibt den Drehwinkel α .

Abb.1

Im Versuch betrug die Länge der Küvette d = 9,60  cm , der Drehwinkel α = 16 ° und als spezifisches Drehvermögen verwenden wir den Literaturwert von α 0 = 6,65 cm 2 g .

Daraus ergibt sich die Konzentration c der Saccharoselösung zu c = α α 0 d = 16 ° 6,65 cm 2 g 9,60 cm = 0,251 g cm 3 .

Die Küvette beinhaltete ein Wasservolumen von V = 400  ml , es müssten also 100,4 g Saccharose darin aufgelöst worden sein. Tatsächlich waren es 112 g, was einen Messfehler von etwa 10 % ergibt.

Woher kommt diese Ungenauigkeit?Wenn Sie aufmerksam das Zurückdrehen des zweiten Polarisators in die erneute Dunkelstellung beobachtet haben, ist Ihnen vielleicht dabei aufgefallen, dass diese nicht völlig dunkel war, sondern vielmehr eine rötliche Resthelligkeit aufwies.

Dafür ist die durch eine optisch aktive Substanz hier zusätzlich auftretende Rotationsdispersion verantwortlich: Mit steigender Frequenz werden die Polarisationsebenen der verschiedenen Spektralanteile des weißen Lichtes zunehmend stärker gedreht, also von rot über grün nach blau. Da bei der Winkelbestimmung bereits bei rot abgelesen wurde, fällt die so bestimmte Saccharosekonzentration deutlich geringer als der tatsächliche Wert aus. Abhilfe ließe sich hier zum Beispiel durch die Verwendung monochromatischen Lichtes schaffen.

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