Поляриметрический метод

Поляриметрический метод физико-химического анализа осно­ван на измерении вращения плоскости поляризации света опти­чески активными веществами.

Этим методом в производстве определяют со­держание сахарозы, общего сахара, сорбита, соотношение состав­ных частей, содержание редуцирующих веществ патоки и др.

Свет представляет собой электромагнитные волны, колебания которых происходят в плоскости, перпендикулярной направле­нию распространения волны, т. е. перпендикулярной направле­нию луча (рис. 2.12,а). Направление большой стрелки соответ­ствует направлению луча, а радиально расходящиеся маленькие стрелки условно изображают различные плоскости, в которых происходят колебания естественного луча. Колебания поляризо­ванного луча (рис. 2.12,б) происходят только в одной плоскости, также перпендикулярной направлению распространения луча.

Если естественный свет пропустить через подобие фильтра, ко­торый задержит колебания во всех плоскостях, кроме одной, то он превратится в поляризованный свет. В качестве такого фильтра используют поляризационную призму Николя, изготавливаемую из исландского шпата, или поляроид, представляющий собой по­лимерную пленку с нанесенным на нее специальным составом. Если свет пропустить последовательно через два поляроида, то ре­зультат будет зависеть от их взаимного расположения. Если плос­кость колебания пропускаемых лучей первого поляроида совпадет с плоскостью колебания пропускаемых лучей второго, световые лучи пройдут полностью. Если же второй поляроид будет зани­мать другое положение по отношению к первому, то поляризован­ный луч будет проходить через второй поляроид с тем большей яр­костью, чем ближе угол поворота к нулю или к 180°.

Некоторые вещества (многие органические соединения, в том числе углеводы) обладают способностью поворачивать плоскость

Рис. 2.12. Схема световых колебаний:

а — естественный луч; б— поляризованный луч

поляризации проходящего через них поляризованного луча. Такие вещества называются оптически активными веществами.

Оптической активностью обладают только те органические со­единения, в молекулах которых присутствуют асимметрические атомы углерода, связанные с четырьмя различными атомами или группами атомов.

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением плоскости поляризации. За удельное вращение плос­кости поляризации принимают угол вращения плоскости поляри­зации, выраженный в дуговых градусах, измеренный при темпера­туре 20 °С при пропускании монохроматического света от одно­родного натриевого пламени (длина волны 589,3 нм) через слой оптически активного вещества определенной (нормальной) тол­щины. Для твердых тел нормальная толщина составляет 1 мм, для жидкостей и растворов с концентрацией 1 г/см³ раствора — 1 дм.

Значения удельного вращения могут быть положительные (правое вращение, обозначается знаком плюс) и отрицательные (левое вращение, обозначается знаком минус). Для обозначения

удельного вращения плоскости поляризации принят символ [а]_D²⁰.

Индекс 20 показывает, что удельное вращение измерено при 20 °С, а индекс D указывает на пропускание монохроматического света с длиной волны 589,3 нм.

Концентрацию оптически активного вещества в растворе мож­но рассчитать, измерив угол вращения плоскости поляризации его раствора и зная толщину слоя, через который пропущен поляри-зованный луч, по формуле

. (2.21’)

Концентрация оптически активного вещества в 100 г раствора (г)

Удельное вращение оптическиактивных веществ является фи­зической константой, однако угол вращения свежеприготовлен­ных растворов некоторых веществ с течением времени постепенно может изменяться и только затем приобретает равновесное значе­ние. Это явление называется мутаротацией, причиной которой служит превращение в растворах одних форм вещества в другие, обладающие различными значениями удельного вращения (пре­вращение а-глюкозы в р-глюкозу; в растворе эти две формы суще­ствуют в равновесном состоянии). Чтобы ускорить мутаротацию, следует нагреть раствор в течение 15 мин при температуре около 100 °С или прибавить небольшое количество (около 0,1 %) аммиа­ка. В этом случае у глюкозы равновесие устанавливается практи­чески мгновенно.

Для измерения оптической активности — вращения плоскости поляризации используют поляриметр, схема которого приведена на рис. 2.13.

Свет от источника 1 проходит последовательно через конден­сатор 2, поляризатор 3, поляриметрическую трубку 5 с испытуе­мым веществом, поворачивающим плоскость поляризованного луча, анализатор 6 с устройством, фиксирующим значение пово­рота плоскости поляризованного луча, и попадает в зрительную трубу 7.

Наибольшее распространение получили так называемые «полу­теневые» поляриметры, в которых после основного поляризатора ставят еще один поляризатор (см. рис. 2.13, поз. 4), занимающий половину поля зрения и несколько повернутый (2—3°) относи­тельно первого поляризатора. Малейшее отклонение анализатора при таком устройстве поляризатора создает неравенство освещен­ности двух половинок поля зрения и может быть замечено и ис­правлено оператором. В приборе оператор видит три возможных положения поля зрения: когда правая половина темнее левой,

Рис. 2.13. Схема устройства поляриметра

когда левая половина темнее правой и когда обе половины имеют одинаковую освещенность. Третье положение соответствует пол­ной компенсации анализатором поворота плоскости поляризо­ванного луча в исследуемом веществе (растворе), поэтому при та­ком положении отсчитывают показания со шкалы прибора. Ре­зультат определения угла поворота плоскости поляризации на по­ляриметрах получают в круговых градусах.

Для перехода от круговых градусов к концентрации исследуе­мого раствора или к массе определяемого компонента необходи­мы дополнительные расчеты.

Иногда в поляриметрах для компенсации поворота плоскости поляризованного луча исследуемым раствором в качестве анали­затора используют специальные кварцевые клинья. По положе­нию такого кварцевого клина по шкале отсчитывают значение угла вращения. На этом принципе устроен сахариметр — поляри­метр, шкала которого проградуирована не в круговых градусах, а в градусах Международной сахарной шкалы. Ста градусам этой шкалы (100 °S) соответствует вращение водным раствором, со­держащим 26,0 г чистой сахарозы в 100 см³ раствора, измеренное при 20 °С в трубке длиной 200 мм с применением белого и бихро-матного светофильтра, следовательно, 1 градусу сахарной шкалы соответствует раствор, содержащий 0,26 г сахарозы в объеме 100 см³.

Сахарная шкала создает значительные удобства при анализе различных объектов, содержащих сахарозу. Например, если поля-риметрировать какой-то объект, содержащий сахарозу, то при ра­створении 26 г его навески в мерной колбе на 100 см³ и использо­вании трубки длиной 2 дм (200 мм) прибор покажет содержание сахарозы в объекте в процентах. Необходимым условием проведе­ния подобного анализа является отсутствие в объекте исследова­ния других оптически активных веществ или их предварительное удаление. Навеска массой 26 г называется нормальной навеской, а трубка длиной в 2 дм — нормальной трубкой.

Сахариметр комплектуют, кроме нормальных, трубками в 1 и 4 дм, которые соответственно называются полунормальными и двунормальными. Трубки длиной 1 дм (100 мм) применяют при исследовании окрашенных растворов, работа с которыми в трубке длиной 2 дм затруднена. При расчетах результатов анализа в этом случае значение, полученное по шкале прибора, увеличивают в 2 раза. Трубки длиной 4 дм (400 мм) используют для растворов сла­бой концентрации, при расчете в этом случае полученное значе­ние по шкале прибора уменьшают в 2 раза.

Конструкция сахариметра дает возможность использовать не монохроматический свет натриевой лампы, а свет от обычных ис­точников (электрическая лампочка). При этом ротационная дис­персия сахарных растворов почти совпадает с таковой для кварца, из которого изготовлены клинья. Образующаяся «радуга» в ре-

зультате разложения белого света исследуемым раствором после прохождения через кварцевый компенсатор ис­чезает.

Сахариметр СУ-3 (рис. 2.14)
состоит из измерительной го­
ловки 5 и осветительного узла
2, которые соединены травер­
сой 1 с камерой, в которой
размещается трубка с объек­
том исследования. Все комп­
лектующие сахариметра ук-­
реплены на основании 9. Рис. 2.14. Сахариметр СУ-3

Измерительная головка

состоит из двух окуляров: окуляра шкалы 6 с нониусом и окуляра анализатора 7, наблюдая в который вращением рукоятки 8 кре-мальной передачи устанавливают однородность освещения. Сверху на измерительной головке расположено отверстие для установочного ключа. В осветительный узел входит патрон с лампочкой 3, матовое стекло и светофильтр 4. В основании смонтирован понижающий трансформатор, который специаль­ным шнуром с вилкой подсоединяется к штепсельной розетке электросети.

Для подготовки к работе сахариметр устанавливают так, чтобы окно находилось за спиной оператора. После включения прибора загорается лампочка осветителя. Последовательно оба окуляра ус­танавливают по глазу наблюдателя. Для этого вращают оправы так, чтобы в окуляре анализатора была четко видна вертикальная линия, разделяющая поле зрения, в окуляре шкалы четко и ясно были видны цифровые значения шкалы и линии (штрихи) шкалы и нониуса. Затем проверяют правильность нулевой точки. Вращая рукоятку кремальной передачи в холостом положении прибора, т. е. без поляриметрической трубки, добиваются однородности ос­вещенности обеих половинок поля зрения. При этом нуль шкалы должен точно совпадать с нулевым штрихом нониуса (рис. 2.15,а). В случае отклонения установочным ключом совмещают нулевые значения шкалы с нониусом.

Правильность показаний сахариметра проверяют также при помощи контрольной трубки, снабженной легко вывинчивающи­мися кварцевыми контрольными пластинками на —40° и +100° сахарной шкалы. Для этого вкладывают трубку в камеру прибора, добиваются уравнивания окраски обеих половинок поля зрения. В этом положении на шкале должно быть 60,0° (алгебраическая сум­ма обеих пластин —40°+100°= 60°). Если из трубки вывинтить кварцевую пластинку со значением —40°, то прибор должен соот-

Рис. 2.15. Отсчетная шкала сахариметра с нониусом:

а - 0,0'; б - 11,7'

ветственно показать +100°. Если поместить контрольную трубку без пластинки +100°, то прибор должен показать точно —40°.

Для проведения определения с одной стороны поляриметри­ческой трубки вывинчивают гайку и снимают покровное стекло. Трубку ополаскивают и заполняют исследуемым раствором. При этом должен образоваться выпуклый мениск. Покровное стекло тщательно вытирают досуха и закрывают им трубку. Для этого су­хим покровным стеклом сдвигают с торца трубки лишнюю жид­кость. Проверяют, нет ли в трубке пузырька воздуха, и завинчива­ют гайку. Трубку с раствором помещают в камеру, вращением ру­коятки кремальной передачи добиваются полного уравнивания обеих половинок поля зрения и снимают со шкалы показания прибора. Определения повторяют 3—4 раза и рассчитывают сред­нее арифметическое значение. На рис. 2.15,6 показано положение нониуса при показании прибора 11,7°.

Поляриметрический метод применяют обычно для объектов, в которых практически содержится только одно оптически ак­тивное вещество, чаще всего сахароза. Однако исследуемый объект может содержать 2 или более оптически активных веще­ства. Тогда необходимо повторить анализ, чаще всего его прово­дят до и после инверсии сахарозы (определение сахарозы в при­сутствии лактозы или других Сахаров). Иногда результат анализа вычисляют по предварительно составленным эксперименталь­ным таблицам (определение содержания редуцирующих веществ в патоке). Если исследуемый объект содержит одно оптически активное вещество или легко можно удалить другие оптически активные вещества, мешающие определению, то поляриметри­ческие определения просты и занимают мало времени.

Недостатком поляриметрического метода является необходи­мость использования сравнительно больших навесок исследуемо­го объекта, а также осветления растворов, что осуществляется

обычным способом, путем введения небольших (10—20 см³) коли­честв 1 н растворов (1/2 ZnSO₄ и NaOH или КОН с последующей фильтрацией.

Большинство объектов кондитерского производства (напри­мер, шоколадные и пралиновые массы) содержат значительные количества нерастворимых в воде веществ. При растворении на­вески таких объектов исследования в мерной колбе эта нераство­римая часть займет значительный объем мерной колбы. В резуль­тате растворимая в воде часть будет занимать не всю номинальную вместимость мерной колбы. На такое изменение объема в мерной колбе приходится вводить существенную поправку.

Действительно, если в мерной колбе вместимостью 100 см³ ра­створить навеску, например шоколада массой 26 г, то нераствори­мая часть ее, которая составляет примерно 50 % по массе, т. е. 13 г, займет объем, равный (см³) частному от деления 13 г на плотность этой нерастворимой массы. Следовательно, навеска фактически будет растворена в мерной колбе вместимостью уже не 100 см³, а около 90 смл Концентрация раствора будет неоправданно завы­шена почти на 10 %, показания сахариметра будут также завыше­ны и поэтому они должны быть скорректированы поправочным коэффициентом, который в нашем примере будет порядка 0,9. В общем случае этот коэффициент зависит от объема мерной колбы, от массы навески, содержания в ней нерастворимой части и от плотности этой нерастворимой части. При исследовании объектов кондитерского производства поправочный коэффициент, на кото­рый умножают результат поляриметрического определения, рас­считывают по формуле

, (2.22)

где V_к — объем мерной колбы, в которой растворена навеска, см³; V_Н.Ч— объем нерастворимой части навески, см³.

Объем нерастворимой части навески

, (2.23)

где т — масса навески, г; Р — содержание в массе навески нерастворимой части, %; d — средняя плотность нерастворимой в воде части навески, г/см³.

Весовое содержание нерастворимой части определяют прибли­зительно по справочным данным. Так же, если нужно, определя­ют ее плотность.

Теоретически поправку на объем нерастворимой части объекта исследования необходимо вводить всегда при использовании мер­ных колб и растворении объектов, в состав которых входят нера­створимые вещества.

При обычных химических анализах вводить такую поправку нет необходимости, так как величина (объем) нерастворимой час­ти навески по сравнению с объемом мерных колб, применяемых для ее растворения, весьма незначительна. Значение поправки в таких случаях соизмеримо с точностью самих методов анализа. Поэтому в техническом анализе (за редким исключением) такую поправку не вводят. При расчетах же результатов поляриметри­ческих определений пренебрежение объемов нерастворимой части навески большей частью приводит к существенным завышениям результата анализа. Такое завышение может достигать 10 % от ре­зультата поляриметрического определения.

Часть объема мерной колбы займет также осадок, образующий­ся в процессе осветления раствора при помощи сульфата цинка и гидроксида натрия или калия. Однако, как показали расчеты, фактический объем, занимаемый этими веществами и их произ­водными, по сравнению с объемом мерной колбы незначителен, и им можно пренебречь при выполнении поляриметрических и дру­гих определений в контроле кондитерского производства.

Пример. Установить поправочный коэффициент для поляриметрического определения при выполнении анализа на содержание сахара в шоколаде «Золотой ярлык», если была взята навеска 13,0 г и растворена в мерной колбе на 100 см³. По справочным данным устанавливают химический состав шоколада «Золотой яр­лык». К нерастворимой части относятся белки —6,3%, жир — 37,2%, углеводы (несахара) — 6,7% (53,2—46,5), клетчатка—1,3 % и зола—1,0%. Если принять среднюю плотность белка 1,4 г/см³, жира — 0,92 и нерастворимых углеводов 1,6 г/см³, а массой золы и клетчатки пренебречь, то объем нерастворимой части будет равен сумме объемов, занимаемых белком, жирами, нерастворимыми углеводами:

Соответственно

Полученный для шоколада «Золотой ярлык» поправочный ко­эффициент 0,94 при навеске в 13,0 г, растворенной в колбе вмес­тимостью 100 см³, можно применять с достаточной для техничес­кого анализа точностью ко всем видам шоколада.