В чем причина оптической активности вещества

31. В чем заключается причина оптической активности веществ?

У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке).

32. Назовите известные вам оптически активные вещества

сахар, камфора, винная кислота; кварц, киноварь

33. Приведите примеры использования оптической активности

34. В чём состоит явление, называемое эффектом Фарадея?

Эффект Фарадея (продольный магнитооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.

Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.

Квантовая оптика. Элементы квантово механики. Атомная физика.

1. Что характерно для тормозного рентгеновского излучения?

Кривые распределения мощности тормозного излучения не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях длины волны. Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то величина кванта hνне может превысить энергию электронаeU

2. В чём заключается явление внешнего фотоэффекта?

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Законы внешнего фотоэффекта

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения): и

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты распространяющихся электромагнитных колебаний и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота электромагнитного излучения ν0 при которой фотоэффект ещё возможен.

3. Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

4. Эффект Комптона

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

При рассеянии фотона на покоящемся электроне частоты фотона и(до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

5. Как понять «Фотон обладает корпускулярными и волновыми свойствами»?

6. При каких условиях проявляются волновые свойства ансамбля тождественных частиц?

7. Соотношение Де-Бройля

Теперь кратко опишем физический смысл соотношения де Бройля: одна из физических характеристик любой частицы — ее скорость. При этом физики по ряду теоретических и практических соображений предпочитают говорить не о скорости частицы как таковой, а о ее импульсе (или количестве движения), который равен произведению скорости частицы на ее массу. Волна описывается совсем другими фундаментальными характеристиками — длиной (расстоянием между двумя соседними пиками амплитуды одного знака) или частотой (величина, обратно пропорциональная длине волны, то есть число пиков, проходящих через фиксированную точку за единицу времени). Де Бройлю же удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы р с длиной волны λ, которая ее описывает:

p = h/λ или λ = h/p.

Это соотношение гласит буквально следующее: при желании можно рассматривать квантовый объект как частицу, обладающую количеством движения р; с другой стороны, ее можно рассматривать и как волну, длина которой равна λ и определяется предложенным уравнением. Иными словами, волновые и корпускулярные свойства квантовой частицы фундаментальным образом взаимосвязаны.

4. 8. Оптическая активность веществ.@

При пропускании плоско поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Вещества, способные вращать плоскость поляризации, называются оптически активными. Оптической активностью могут обладать кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар, винная кислота), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, яблочной кислоты, спиртовые растворы камфоры, стрихнина). Оптическую активность проявляют многие природные соединения: белки, углеводы, гормоны, эфирные масла.

Угол поворота  плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

где α –постоянная вращения, угол поворота плоскости поляризации слоем вещества единичной толщины; d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.Постоянная вращения зависит от природы вещества, температуры и длины волны света. Зависимость α от λ, называетсядисперсией вращения. Наибольшей оптической активностью обладают некоторые жидкие кристаллы.

Угол поворота  плоскости поляризации для оптически активных растворов (закон Био)

 = [α] с d

где [α] – удельное вращение, с – массовая концентрация оптически активного вещества, d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.

Оптическая активность обуславливается как асимметричным строением молекул вещества, так и расположением частиц в кристаллической решетке. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптические вещества делятся на право- и левовращающие. В первом случая осуществляется вращение плоскости вправо (по часовой стрелке), во втором – влево (против часовой стрелке).

Вращение плоскости поляризации объяснено О. Френелем (1823г.). Он предложил (рис. 4.18 а) линейно поляризованную монохроматическую волну представить в виде комбинации двух одновременно распространяющихся поляризованных по кругу монохроматических волн, векторы напряженностей Е₁иЕ₂у которых равны половине амплитуды вектораЕи вращаются во взаимно противоположных направлениях с одинаковыми угловыми скоростями (рис. 4.18 б). В оптически активной среде волныЕ₁иЕ₂распространяются с разными фазовыми скоростями. На выходе из слоя толщинойlволныЕ₁иЕ₂складываются (рис.4.18 в), но между ними возникает сдвиг фаз Δ, пропорциональный толщине слояl. Плоскость поляризации на выходе (О’О’) оказывается повернутой относительно плоскости поляризации на входе (ОО) на угол поворота Δ/2.

М. Фарадеем (1845г.) было установлено, что вещества, не обладающие естественной оптической активностью, приобретают ее под действием магнитного поля. Это явление называется эффектом Фарадея илимагнитное вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален напряженности магнитного поляН, длине пути света в веществеl.

 = V H l

где V – постоянная Верде (или удельным магнитным вращением), которая зависит от природу вещества и длины волны света. Направление магнитного вращения плоскости поляризации определяется направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча. Так, если отразить луч света с помощью зеркала и заставить пройти через намагниченное вещество еще раз только в обратном направлении, то угол поворота плоскости поляризации удвоится. Этим эффект Фарадея отличается от вращения плоскости поляризации света в естественных оптически активных средах.

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит. Оптически активное вещество под действием магнитного поля приобретает дополнительную способность вращать плоскость поляризации и угол поворота будет равен сумме углов поворота при естественной и искусственной оптических активностей.

Явления вращения плоскости поляризации лежат в основе метода определения концентрации растворов оптически активных веществ. Этот метод называется поляриметрией,а при определении содержания сахарасахариметрией. Они успешно используются в пищевой промышленности, в медицине, при исследовании биополимеров.

Лекция 16 оптическая изомерия Оптическая активность

Дневной свет является совокупностью электромагнитных волн, колеблющихся в разных плоскостях. Если такой луч света пропустить через поляризатор, то через него проходит только плоскополяризованный свет, волны которого колеблются в одной плоскости. Поляризатор вызывает такой же эффект, как очень узкая щель. При пропускании такого поляризованного луча через некоторые вещества происходит вращение плоскости поляризации на определенный угол вправо или влево. Способность вещества вращать плоскость поляризации света получила название оптической активности.

Оптической активностью обладают некоторые неорганические вещества, например, кварц. Направлени вращения зависит от строения кристалла. Причина оптической активности кварца кроется в асимметричном строении кристалла.

Органические соединения могут вращать плоскость поляризованного света при пропускании его как через кристаллы, так и через растворы. Следовательно, оптическая активность органических соединений зависит от строения не только кристалла, но и молекулы.

Вант-Гофф подметил, что оптическая активность наблюдается у органических соединений, имеющих асимметрические атомы углерода, т.е. связанные с 4-мя разными заместителями.

Молекула с асимметрическим атомом углерода может существовать в виде двух пространственно несовметимых форм, т.е. в виде двух пространственных изомеров, которые отличаются друг от друга как премет от зеркального изображения.

Один из таких изомеров вращает плоскость поляризации света вправо, другой – на такой же угол влево, поэтому они получили название оптических антиподов (или энантиомеров).

-галогено-, -амино-, -оксикислоты имеют асимметрический атом углерода и поэтому существуют в виде двух оптически активных изомеров. Например, молочная кислота

CH₃-C * -C имеет изомеры

левовращающийся изомер правовращающийся изомер

Один из изомеров вращает плоскость поляризованного света вправо, а другой – на такой же угол влево. На рисунке связь С-СООН изомеров показана расположенной в плоскости, связь с группой СН₃ уходит под плоскость, а связи с Н и группой ОН – над плоскостью. Такие формулы писать трудно, поэтому для упрощения изображают оптические изомеры с помощью проекционных формул фишера. Центральный асимметрический атом располагается на плоскости, тогда связи его с другими углеродными атомами уходят под плоскость и изображаются пунктирами, а связи асимметрического углерода с групами Н и ОН будут над плоскостью и изображаются в виде сплошных линий. Сам асимметрический атом углерода не изображается.

H OH OH H

Д(+)молочная кислота L(-)молочная кислота

Для составления названий этих изомеров первоначально применяли буквы d и l, что означает по латински dextro – правый и laevo – левый. Позднее этими буквами стали обозначать конфигурацию, т.е. фактическое расположение атомов в молекуле. В этом значении используются заглавные буквы D и L.

По предложению Розанова и Воля к соединениям D-ряда относятся вещества, имеющие одинаковую конфигурацию с правовращащим глицериновым альдегидом.

Расположение групп в пространстве здесь таково, что стрелка, проведенная от Н к группе СОН и затем к ОН, направлена по ходу часовой стрелки. По этому же признаку определяют конфигурацию замещенных кислот, направление вращения обозначают знаками (+) и (-). Молочная кислота имеет два оптических антипода. В действительности существует три вида молочных кислот, а именно:

Молочная кислота, которая образуется при скисании молока, она оптически неактивна. Она представляет собой смесь равного количества молекул D- и L-изомера. Такие соединения называются рацематами.

Правовращающая молочная кислота образуется в мышцах.

Левовращающая молочная кислота образуется при сбраживании сахаров под действием лево-молочнокислых бактерий.

При синтезе соединений с асимметрическим атомом углерода из вещества, не содержащего А-атома С, образуются обычно рацематы. Например,

CH₃-C-C 50%

CH₃-CH₂-COOH + Cl₂

CH₃-C-C 50%

Разделять такие рацематические смеси очень трудно. Практически применяются следующие методы:

1) механический отбор кристаллов, отличающихся друг от друга как предмет от зеркального изображения (так Пастер в 1848 году впервые разделил стереоизомеры винной кислоты, отличающиеся типом кристаллов);

2) биологический отбор с помощью микроорганизмов, поедающих (усваивающих) какую-либо одну оптически активную форму, например, с помощью плесневых грибков.

3) дробная перекристаллизация

При наличии нескольких асимметрических атомов углерода число оптических изомеров выражается формулой N=2 n ,

где N-число оптических изомеров;

n-число асимметрических атомов углерода.

Винная кислота

COOH COOH COOH COOH

H OH HO H H OH HO H

H OH HO H HO H H OH

COOH COOH COOH COOH

Мезовинная кислота D-винная кислота L-винная кислота

Имеются два асимметрических атома углерода. Поэтому число оптических изомеров должно составлять N=2 2 =4. Но так как молекула винной кислоты симметрична, (III) одинаков с (IV). Формула (IV) полностью повторяет формулу (III). Если (IV) повернуть на 180 0 С, то она совместится с (III), это одно и то же вещество.

Фактически существуют три пространственных формы.

В (I) изомере расположение атомов относительно обоих асиммтерических атомов углерода соответствует D-конфигурации, это будет правовращающий изомер; (II) – левовращающий. В изомере (III) или (IV) расположение атомов углерода соответствует правому вращению, а расположение атомов относительно другого асимметрического атома углерода соответствует левому вращению такой же величины. В целом происходит внутримолекулярная компенсация удельного вращения, и молекула будет оптически неактивна. Такие изомеры называются мезосоединениями или мезоформами. Все эти изомеры существуют в природе.

D-винная кислота обычно называется просто винная или виннокаменная (образуется при брожении виноградного сока в виде нерастворимой кислой калиевой соли). Применяется в аналитической химии и медицине.

L-винная кислота выделена Пастером из рацемата с помощью плесневых грибков, которые поедают только D-форму.

Мезовинная кислота – самая устойчивая форма, образуется из всех других изомеров при кипячении их растворов с NaOH. Кроме того, известен рацемат.

Виноградная кислота – получаемая синтетичесим путем. Виноградная кислота – непрочное комплексное соединение D- и L-форм. Отличается от других изомеров физичсекими свойствами (Т_пл=204 0 С, растворимость в воде хуже). Причина – другая упаковка в кристаллы, вследствие чего расстояния между атомами отдельных молекул разные, и взаимное влияние тоже разное.

Оптическая активность: понятное объяснение, определение и примеры

Оптическая активность – уникальное свойство некоторых веществ вызывать поворот плоскости поляризации света и имеет широкое применение в химии, фармацевтике и других отраслях науки и техники.

Оптическая активность: понятное объяснение, определение и примеры обновлено: 12 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Оптическая активность – это явление, связанное с изменением плоскости поляризации света при его прохождении через определенные вещества. Это явление было впервые обнаружено в 1811 году французским физиком Жаном-Батистом Био, который заметил, что некоторые органические соединения поворачивают плоскость поляризации света. Оптическая активность имеет широкий спектр применений, от анализа химических соединений до производства фармацевтических препаратов.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Оптическая активность: определение

Оптическая активность – это свойство некоторых веществ изменять плоскость поляризации света при его прохождении через них. Вещества, обладающие оптической активностью, называются оптически активными веществами или хиральными веществами.

Оптическая активность является результатом наличия в молекулах вещества хиральных центров, то есть атомов, которые связаны с четырьмя различными заместителями. Это приводит к тому, что молекулы оптически активных веществ не являются суперимпозируемыми, то есть не могут быть полностью совмещены с их зеркальными отражениями.

Оптическая активность может быть обнаружена с помощью поляризационного света. При прохождении света через оптически активное вещество, плоскость поляризации света поворачивается на определенный угол. Этот угол называется углом поворота и является мерой оптической активности вещества.

Оптическая активность: причины

Оптическая активность веществ связана с особенностями их молекулярной структуры. Она обусловлена наличием хиральности в молекулах оптически активных веществ.

Хиральность – это свойство молекулы не совпадать с ее зеркальным отражением. Молекулы, которые обладают хиральностью, называются хиральными молекулами или энантиомерами.

Причиной хиральности молекулы может быть наличие асимметричного атома, такого как атом углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. Это приводит к тому, что молекулы оптически активных веществ не являются суперимпозируемыми, то есть не могут быть полностью совмещены с их зеркальными отражениями.

Также хиральность может возникать из-за особенностей связей и групп в молекуле, которые приводят к нарушению симметрии.

Важно отметить, что оптическая активность может быть обнаружена только у хиральных молекул. Молекулы, которые не обладают хиральностью, называются ахиральными.

Оптическая активность: свойства

Оптическая активность – это свойство некоторых веществ вызывать поворот плоскости поляризованного света при его прохождении через них. Это явление наблюдается только в хиральных молекулах, которые не являются суперимпозируемыми на свои зеркальные отражения.

Основные свойства оптической активности:

Поворот плоскости поляризации

Оптически активные вещества вызывают поворот плоскости поляризации света, проходящего через них. Это означает, что направление колебаний световых волн изменяется при прохождении через оптически активное вещество.

Угол поворота

Угол поворота плоскости поляризации зависит от концентрации оптически активного вещества в растворе или смеси. Чем больше концентрация вещества, тем больше будет угол поворота.

Зависимость от длины волны

Угол поворота плоскости поляризации также зависит от длины волны света. Это явление называется дисперсией оптической активности. Вещества могут проявлять различную оптическую активность при разных длинах волн света.

Зависимость от температуры

Оптическая активность некоторых веществ может зависеть от температуры. При изменении температуры может изменяться и угол поворота плоскости поляризации света.

Эффекты на поляризованный свет

Оптически активные вещества могут вызывать различные эффекты на поляризованный свет. Например, они могут изменять интенсивность света или вызывать его рассеяние в определенных направлениях.

Изучение оптической активности веществ имеет большое значение в химии, физике и биологии. Это свойство позволяет исследовать структуру и свойства молекул, а также применять оптически активные вещества в различных технологиях и промышленности.

Оптическая активность: измерение

Измерение оптической активности вещества осуществляется с помощью прибора, называемого поляриметром. Поляриметр позволяет определить угол поворота плоскости поляризации света при прохождении через оптически активное вещество.

Принцип работы поляриметра

Поляриметр состоит из источника света, поляризатора, образца вещества и анализатора. Источник света излучает поляризованный свет, который проходит через поляризатор и попадает на образец вещества. Образец вещества вызывает поворот плоскости поляризации света, после чего свет проходит через анализатор.

Анализатор позволяет измерить угол поворота плоскости поляризации света после прохождения через образец вещества. Угол поворота может быть положительным или отрицательным, в зависимости от направления поворота плоскости поляризации.

Единица измерения оптической активности

Оптическая активность измеряется в градусах или радианах. Обычно используется градусная мера, где 1 градус равен 1/360 части полного оборота.

Коэффициент оптической активности

Коэффициент оптической активности (α) определяется как угол поворота плоскости поляризации света, вызванный прохождением света через единичную длину образца вещества. Коэффициент оптической активности зависит от концентрации вещества и длины пути света через образец.

Измерение оптической активности позволяет определить концентрацию оптически активного вещества в растворе или веществе. Это важно для контроля качества продуктов, анализа состава веществ и других приложений в химической и фармацевтической промышленности.

Оптическая активность: применение

Оптическая активность имеет широкий спектр применений в различных областях науки и промышленности. Ниже приведены некоторые из них:

Фармацевтическая промышленность

Оптическая активность играет важную роль в фармацевтической промышленности. Многие лекарственные препараты содержат оптически активные молекулы, которые могут существовать в двух оптических изомерах – D-изомере и L-изомере. Эти изомеры имеют различные физиологические свойства и могут оказывать различное воздействие на организм. Измерение оптической активности позволяет определить соотношение между изомерами и контролировать качество и эффективность лекарственных препаратов.

Химическая промышленность

В химической промышленности оптическая активность используется для анализа и контроля качества веществ. Например, оптическая активность может быть использована для определения концентрации оптически активных веществ в растворах или веществах. Это важно для производства и контроля качества химических продуктов.

Аналитическая химия

Оптическая активность также используется в аналитической химии для определения структуры и конфигурации молекул. Измерение оптической активности может помочь идентифицировать оптически активные изомеры и определить их соотношение в смеси. Это важно для понимания химических реакций и свойств веществ.

Оптическая электроника

Оптическая активность также находит применение в оптической электронике. Некоторые материалы обладают оптической активностью и могут изменять поляризацию света при прохождении через них. Это свойство используется в оптических устройствах, таких как поляризационные фильтры и модуляторы света.

В целом, оптическая активность имеет широкий спектр применений в различных областях науки и промышленности. Она позволяет анализировать и контролировать свойства веществ, определять их структуру и конфигурацию, а также создавать новые оптические устройства.

Таблица оптической активности

Термин	Определение	Свойства	Применение
Оптическая активность	Способность вещества поворачивать плоскость поляризации света при его прохождении через него.	– Зависит от конфигурации молекул вещества – Может быть положительной или отрицательной – Зависит от длины волны света	– Используется в аналитической химии для определения концентрации веществ – Применяется в фармацевтической промышленности для контроля качества лекарственных препаратов
Поляризация света	Ориентация колебаний электрического вектора световой волны в определенной плоскости.	– Может быть линейной, круговой или эллиптической – Может быть плоской или круговой	– Используется в оптике для создания поляризационных фильтров – Применяется в электронике для управления световыми сигналами
Угол поворота	Угол, на который поворачивается плоскость поляризации света при его прохождении через оптически активное вещество.	– Зависит от концентрации вещества – Зависит от длины волны света – Может быть измерен с помощью поляриметра	– Используется для определения концентрации оптически активных веществ в растворах – Применяется в фармацевтической промышленности для контроля качества лекарственных препаратов

Заключение

Оптическая активность – это свойство некоторых веществ изменять плоскость поляризации света при его прохождении через них. Это явление обусловлено наличием хиральности в молекулах вещества. Оптически активные вещества могут вращать плоскость поляризации влево (против часовой стрелки) или вправо (по часовой стрелке), и это свойство измеряется с помощью оптического поляриметра.

Оптическая активность имеет широкий спектр применений, включая анализ и исследование структуры органических соединений, фармацевтическую промышленность, производство пищевых продуктов и другие области. Понимание оптической активности помогает нам лучше понять свойства и поведение веществ, а также применять их в различных технологиях и процессах.