Weird Science

Ten cukier coś kręci

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (2/2020):

Ilustracja

Ples M., Ten cukier coś kręci! O aktyw­no­ści optycz­nej sacha­rozy i zja­wi­sku inwer­sji, Che­mia w Szkole, 2 (2020), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 16-22

Każda sub­stan­cja che­miczna - czy to pro­sta, czy zło­żona - posiada cha­rak­te­ry­styczny dla sie­bie, jasno okre­ślony zestaw cech i wła­ści­wo­ści. Przy­mioty te z jed­nej strony pozwa­lają na roz­po­zna­wa­nie według nich i bada­nie wspom­nia­nych ciał, a z dru­giej mogą być wyko­rzy­sty­wane w okre­ślo­nych celach.

W arty­ku­łach publi­ko­wa­nych na łamach "Che­mii w Szkole" wie­lo­krot­nie opi­sy­wa­łem inte­re­su­jące wła­ści­wo­ści bar­dziej i mniej zna­nych sub­stan­cji. Przy­znam, że sporą część z nich sta­no­wiły doświad­cze­nia oparte na wyko­rzy­sta­niu nie­ty­po­wych cech optycz­nych. Naj­czę­ściej były to efekty barwne spo­wo­do­wane zacho­dze­niem reak­cji che­micz­nych, ale także wpły­wem zróżn­i­co­wa­nych czyn­ni­ków fizycz­nych takich jak np. zmiany tem­pe­ra­tury, prze­pływ prądu elek­trycz­nego czy oświe­tle­nie pro­mie­nio­wa­niem ultra­fio­le­to­wym [1][2][3]. Warto tutaj przy­to­czyć różn­o­rodne reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cyjne, a także flu­o­re­scen­cję i fos­fo­re­scen­cję – emi­sja świa­tła zacho­dząca pod­czas takich zja­wisk wydaje się móc zna­leźć pewne zasto­so­wa­nia prak­tyczne i rze­czy­wi­ście tak się dzieje. Przy­kła­dem mogą być tutaj np. oświe­tla­cze che­miczne i fos­fo­ry­zu­jące znaki ewa­ku­a­cyjne [4][5].

W niniej­szym arty­kule chciałbym opi­sać feno­men oparty na oddzia­ły­wa­niu świa­tła z mate­rią w nieco inny spo­sób niż w poprzed­nio wspom­nia­nych przy­pad­kach. Mowa będzie o pro­stych doświad­cze­niu uka­zu­jącym bar­dzo cie­kawą cechę cukrów i innych związ­ków che­micz­nych. Przed przy­stąpie­niem do eks­pe­ry­men­tów musimy jed­nak odświe­żyć naszą wie­dzę na temat pod­staw fizycz­nych zja­wi­ska będącego obiek­tem naszej uwagi.

Ilustracja
Pola­ro­idy
ani­ma­cja: doda­tek autora

Pola­ry­za­cja

Pola­ry­za­cją nazy­wamy cechę fali poprzecz­nej, która doty­czy rela­cji między kie­run­kiem drgań zabu­rze­nia a kie­run­kiem jego roz­prze­strze­nia­nia się. W poprzecz­nej fali nie wyka­zu­jącej pola­ry­za­cji oscy­la­cje występują z jed­na­kową ampli­tudą we wszyst­kich kie­run­kach pro­sto­pa­dłych do kie­runku roz­cho­dze­nia się zabu­rze­nia. Fala nie­spo­la­ry­zo­wana może być więc trak­to­wana – jak się prze­ko­namy za chwilę – jako suma fal spo­la­ry­zo­wa­nych w różn­ych kie­run­kach [6].

Zau­ważmy, że pola­ry­za­cja występuje wyłącz­nie dla takich rodza­jów fal i takich warun­ków, w których oscy­la­cje mogą odby­wać się w różn­ych kie­run­kach pro­sto­pa­dłych do kie­runku roz­cho­dze­nia się fali. Tak więc dla fal podłużn­ych, a także drgań roz­cho­dzących się na gra­nicy ośrod­ków o różnej gęsto­ści (np. na powierzchni wody) nie ma fizycz­nego sensu roz­pa­try­wa­nie zja­wi­ska pola­ry­za­cji. Fale dźw­iękowe, jako podłużne nie dają się więc pola­ry­zo­wać, nato­miast fale elek­tro­ma­gne­tyczne jako poprzeczne - jak naj­bar­dziej. Pola­ry­za­cja świa­tła widzial­nego jest więc całk­o­wi­cie możl­iwa.

W przy­padku fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej możemy wyróżnić skła­dowe: elek­tryczną i magne­tyczną. W obec­nych cza­sach na potrzeby opisu przyj­muje się zwy­kle, że pola­ry­za­cję takiej fali okre­śla się dla jej skła­do­wej elek­trycz­nej.

Zależnie od kie­runku drgań zabu­rze­nia wydzie­lamy wiele typów pola­ry­za­cji.

Z pew­nych powo­dów za pod­sta­wowy - lub raczej zde­fi­nio­wany naj­bar­dziej ogól­nie - typ warto uznać tzw. pola­ry­za­cję elip­tyczną. W takim przy­padku roz­cho­dzące się zabu­rze­nie okre­ślane wzdłuż kie­runku ruchu fali ma war­tość i kie­ru­nek taki, że koniec wek­tora opi­su­jącego zabu­rze­nie zata­cza elipsę. Taką falę można uzy­skać przez zło­że­nie dwóch drgań o jed­na­ko­wych często­tli­wo­ściach (ale różn­ych ampli­tu­dach), roz­cho­dzących się w tym samym kie­runku, spo­la­ry­zo­wa­nych liniowo w kie­run­kach wza­jem­nie pro­sto­pa­dłych i prze­su­niętych w fazie o odpo­wiedni kąt.

Dwa kolejne typy pola­ry­za­cji można uznać for­mal­nie za szcze­gólne przy­padki pola­ry­za­cji elip­tycz­nej.

W fali spo­la­ry­zo­wa­nej liniowo drga­nia odby­wają się w jed­nej płasz­czyźnie, która zawiera kie­ru­nek roz­cho­dze­nia się fali, nato­miast w przy­padku pola­ry­za­cji koło­wej roz­cho­dzące się zabu­rze­nie okre­ślane wzdłuż kie­runku ruchu fali ma zaw­sze taką samą war­tość, ale jego kie­ru­nek się zmie­nia. Kie­ru­nek zmian jest taki, że w usta­lo­nym punk­cie prze­strzeni koniec wek­tora opi­su­jącego zabu­rze­nie zata­cza okrąg w cza­sie jed­nego okresu fali.

Dla uprosz­cze­nia w niniej­szym opra­co­wa­niu będziemy się zaj­mo­wać głów­nie przy­pad­kami pola­ry­za­cji linio­wej.

Nie każda fala – nawet jeśli jest to możl­iwe – jest spo­la­ry­zo­wana. Ist­nieją zja­wi­ska, dzięki którym możemy wytwo­rzyć falę spo­la­ry­zo­waną, a także takie, które umożl­i­wiają pola­ry­za­cję fali, która uprzed­nio nie prze­ja­wiała tej wła­ści­wo­ści. Przy­rządy, przez które prze­pusz­cza­jąc świa­tło uzy­sku­jemy falę spo­la­ry­zo­waną nazy­wamy pola­ry­za­to­rami i mogą one dzia­łać w opar­ciu o różn­o­rodne zja­wi­ska fizyczne, między innymi o dwój­łom­ność lub selek­tywne poch­ła­nia­nie – w tym ostat­nim przy­padku pola­ry­za­tor jest nazy­wany często pola­ro­i­dem [7].

W opi­sa­nych doświad­cze­niach wyko­rzy­sta­łem między innymi pola­ry­za­tory sto­so­wane w mikro­sko­pii (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Pola­ry­za­tory wyko­rzy­stane w doświad­cze­niu

Z pada­jącego świa­tła pola­ry­za­tor prze­pusz­cza fale elek­tro­ma­gne­tyczne, których wek­tor drgań pola elek­trycz­nego leży w kie­runku cha­rak­te­ry­stycz­nym dla danego przy­rządu, dzięki czemu pow­staje świa­tło spo­la­ry­zo­wane (Fot.2A). W ten spo­sób układ dwóch pola­ry­za­to­rów o zgod­nym kie­runku pola­ry­za­cji pozwala na tran­s­mi­sję świa­tła (Fot.2B), a obróco­nych względem swo­ich płasz­czyzn pola­ry­za­cji o kąt pro­sty zatrzy­muje je (Fot.2C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Pola­ry­za­tory; A – widok ogólny, B – kie­runki pola­ry­za­cji rów­no­le­głe, C – kie­runki pola­ry­za­cji pro­sto­pa­dłe

Zdaję sobie sprawę z tego, że nie każdy ma dostęp do przy­rządów wyko­rzy­sty­wa­nych w mikro­sko­pii lub foto­gra­fii. Nie jest to jed­nak w żad­nym razie przesz­kodą w wyko­na­niu opi­sy­wa­nych doświad­czeń, ponie­waż pola­ry­za­tory znaj­dują dziś zasto­so­wa­nie w wielu dzie­dzi­nach, np. w kon­struk­cji wyświe­tla­czy cie­kło­kry­sta­licz­nych. Łatwym do wyko­rzy­sta­nia źródłem pola­ry­za­to­rów mogą być jed­no­ra­zowe oku­lary wyko­rzy­sty­wane w kinach 3D (Fot.3). Nie mogą być to jed­nak oku­lary sto­so­wane w prze­sta­rza­łym dziś sys­te­mie ana­gli­fo­wym, tj. posia­da­jące szkła o różn­ych bar­wach (np. nie­bie­skiej i czer­wo­nej), a wła­śnie oku­lary pola­ry­za­cyjne.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Oku­lary pola­ry­za­cyjne wyko­rzy­sty­wane w kino­wych sys­te­mach obrazu 3D

Takie oku­lary należy roz­mon­to­wać uzy­sku­jąc w ten spo­sób dwa frag­menty two­rzywa sztucz­nego o wła­ści­wo­ściach pola­ry­za­cyj­nych, co potwier­dza Fot.4.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Pola­ro­idy z oku­la­rów 3D, po lewej – kie­runki pola­ry­za­cji rów­no­le­głe, po pra­wej - pro­sto­pa­dłe

Nasze oczy – w prze­ci­wieńs­twie do foto­re­cep­to­rów wielu zwie­rząt – nie są zwy­kle zdolne do dostrze­ga­nia pola­ry­za­cji świa­tła. W sprzy­ja­jących warun­kach więk­szość ludzi potrafi jed­nak dostrzec przy oświe­tle­niu świa­tłem spo­la­ry­zo­wa­nym tzw. figurę (nazy­waną też szczotką lub mio­tełk­ami) Hai­din­gera [8].

Aby prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie potrze­bu­jemy też odpo­wied­niego źródła świa­tła. Pro­po­nuję wyko­rzy­sta­nie lasera półp­rze­wod­ni­ko­wego o dowol­nej bar­wie świa­tła – ja uży­łem chyba naj­tańszego modułu czer­wo­nego lasera LED (Fot.5). Z powo­dze­niem można zasto­so­wać wskaźn­iki lase­rowe stan­dar­dowo uży­wane w cza­sie pre­zen­ta­cji mul­ti­me­dial­nych lub innych.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Półp­rze­wod­ni­kowy moduł lase­rowy wyko­rzy­stany w doświad­cze­niu

W dal­szej czę­ści arty­kułu opi­szę też wariant doświad­cze­nia, w którym zamiast lasera można wyko­rzy­stać latarkę kie­szon­kową.

Doświad­cze­nie

Ideę kry­jącą się za doświad­cze­niem przed­sta­wia sche­mat widoczny na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat doświad­cze­nia; opis w tek­ście

Jak widać, zasto­so­wany laser wytwa­rza wiązkę świa­tła b, która ulega pola­ry­za­cji w pola­ry­za­to­rze c, a następ­nie po przej­ściu przez naczy­nie d z roz­two­rem sub­stan­cji bada­nej i drugi pola­ry­za­tor e (nazy­wany też ana­li­za­to­rem) pada na ekran f.

Ana­li­zo­waną sub­stan­cją będzie roz­twór sacha­rozy C12H22O11, czyli zwy­kłego rafi­no­wa­nego cukru spo­żyw­czego (bia­łego). Należy go przy­go­to­wać poprzez roz­pusz­cze­nie w cie­płej wodzie tyle cukru ile tylko się uda – roz­twór powi­nien być więc nasy­cony. W razie gdyby ciecz oka­zała się mętna trzeba ją prze­sączyć. Jako naczy­nie na próbkę roz­tworu naj­lep­szy byłby pro­sto­pa­dło­ścienny pojem­nik ze szkła o rów­no­le­głych ścia­nach (kuweta), ale z powo­dze­niem zasto­so­wa­łem zwy­kłą zlewkę. Naczy­nie nie powinno być zbyt małe, ponie­waż zależy nam na jak naj­dłuższej dro­dze świa­tła przez roz­twór. W każdym razie powinno być to co najm­niej kilka cen­ty­me­trów.

Układ zesta­wiony według sche­matu przed­sta­wia Fot.6

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Układ doświad­czalny

Jak widać, wiązka świa­tła lase­ro­wego po przej­ściu przez oba pola­ry­za­tory pada na ekran. Układ pola­ry­za­to­rów został umiesz­czony na mie­sza­dle magne­tycz­nym – jest to pomocne w celu uzy­ska­nia jed­no­rod­no­ści roz­tworu wsta­wio­nego między pola­ry­za­tory, ale nie jest w żad­nym razie konieczne.

Obra­ca­jąc jed­nym pola­ry­za­to­rem możemy uzy­skać zablo­ko­wa­nie wiązki świa­tła i wyga­sze­nie plamki świetl­nej. Jeśli teraz pomiędzy pola­ry­za­tory wsta­wimy naczy­nie z roz­two­rem sacha­rozy, to zau­wa­żymy cie­kawą rzecz: mimo pro­sto­pa­dłego usta­wie­nia pola­ry­za­to­rów poja­wia się wtedy plamka świa­tła na ekra­nie. Próba z czy­stą wodą potwier­dza, że jest to cecha roz­tworu owego cukru, nie zaś samego roz­pusz­czal­nika. Usu­wa­jąc następ­nie jeden z pola­ry­za­to­rów z drogi świa­tła i obra­ca­jąc dru­gim możemy się prze­ko­nać, że roz­twór nie zacho­wuje się jak pola­ry­za­tor, tj. nie pola­ry­zuje prze­cho­dzącego świa­tła w żad­nym kon­kret­nym kie­runku. Warto więc wyciągnąć wnio­sek, że sacha­roza posiada zdol­ność do zmiany kie­runku pola­ry­za­cji świa­tła, które uprzed­nio ule­gło już pola­ry­za­cji – nazy­wamy to skręcal­no­ścią lub aktyw­no­ścią optyczną.

Przy­stępu­jąc do wła­ści­wego doświad­cze­nia musimy po wsta­wie­niu między pola­ry­za­tory naczy­nia z roz­two­rem tak wyre­gu­lo­wać układ, by wiązka została wyga­szona – na ekra­nie nie obser­wu­jemy więc plamki świa­tła (Fot.7). Przed dal­szymi czyn­no­ściami warto spraw­dzić, czy po usu­nięciu zlewki plamka zaczyna być widoczna.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Zanik plamki świetl­nej po wsta­wie­niu naczy­nia z roz­two­rem cukru (zazna­czono strzałką)

Teraz zlewkę wraz z roz­two­rem musimy ogrzać do tem­pe­ra­tury kil­ku­dzie­sięciu stopni (np. w łaźni wod­nej), po czym szybko osu­szyć zew­nętrzne ścianki naczy­nia i wsta­wić z pow­ro­tem do układu doświad­czal­nego. Zazna­czę też, że wew­nętrzne ścianki zlewki – przy­najm­niej na dro­dze wiązki świa­tła – muszą być wolne od zanie­czysz­czeń i pęche­rzy­ków gazu.

Po włącze­niu deli­kat­nego mie­sza­nia (nie powinny pow­sta­wać uno­szące się w roz­two­rze pęche­rzyki powie­trza, wir wodny nie może też prze­ci­nać wiązki świa­tła) do wciąż cie­płego roz­tworu doda­jemy kilka cm3 stężo­nego kwasu sol­nego HCl. Można go ewen­tu­al­nie zastąpić innym kwa­sem, ale nie jest wyklu­czone, że pociągnie to za sobą koniecz­ność mody­fi­ka­cji warun­ków doświad­cze­nia.

Pamiętajmy o zacho­wa­niu ostrożn­o­ści przy pra­cach z sub­stan­cjami wyka­zu­jącymi wła­ści­wo­ści żrące.

Dla uła­twie­nia obser­wa­cji warto na jej czas zaciem­nić pomiesz­cze­nie.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Uzy­skany efekt; wiązka zaczyna prze­do­sta­wać się przez układ, plamka widoczna na ekra­nie

Bez­po­śred­nio po doda­niu kwasu i jego wymie­sza­niu nie zau­wa­żamy żad­nych zmian. Ale już po pew­nej chwili (zwy­kle od kilku sekund do kilku minut) ku naszemu zasko­cze­niu na ekra­nie poja­wia się punk­cik świetlny, który staje się coraz jaśniej­szy (Fot.8). Jed­no­cze­śnie sam roz­twór nie prze­ja­wia żad­nych zmian, które mogli­by­śmy dostrzec gołym okiem.

Jeśli podej­rze­wamy, że obser­wo­wany feno­men jest efek­tem roz­cieńcze­nia roz­tworu, to możemy wyko­nać próbę kon­trolną zastępu­jąc kwas odpo­wied­nią ilo­ścią wody desty­lo­wa­nej. Łatwo się jed­nak prze­ko­namy, że nie wywo­łuje to żad­nego efektu - oczy­wi­ście pod warun­kiem, że nie roz­cieńczymy prze­sad­nie roz­tworu.

W razie braku lasera półp­rze­wod­ni­ko­wego doświad­cze­nie można prze­pro­wa­dzić w podobny spo­sób, ale z wyko­rzy­sta­niem latarki kie­szon­ko­wej. Odpo­wiedni układ doświad­czalny można zoba­czyć na Fot.9.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Doświad­cze­nie z wyko­rzy­sta­niem latarki i apa­ratu foto­gra­ficz­nego

Kon­fi­gu­ra­cja doświad­cze­nia pozo­stała wła­ści­wie taka sama, a wszel­kie zmiany wystąpiły jedy­nie w szcze­gółach: laser został zastąpiony latarką (pola­ry­za­tor I powi­nien całk­o­wi­cie zasła­niać źródło świa­tła), a obser­wa­cje pro­wa­dzimy bez­po­śred­nio gołym okiem lub przy pomocy usta­wio­nego w jego miej­scu apa­ratu foto­gra­ficz­nego.

Przy począt­ko­wym usta­wie­niu pola­ry­za­to­rów tak, by w obec­no­ści próbki świa­tło ule­gło wyga­sze­niu możemy wtedy spo­dzie­wać się obrazu ana­lo­gicz­nego do widzia­nego na Fot.10.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Widok począt­kowy

Widoczny obraz jest pra­wie całk­o­wi­cie ciemny, a jaśniej­sze punk­ciki to diody LED będące źródłem świa­tła w latarce (więk­sze) i zde­po­la­ry­zo­wane świa­tło roz­pro­szone na zanie­czysz­cze­niach znaj­du­jących się na powierzchni samych pola­ry­za­to­rów, na ścia­nach naczy­nia, a także zawie­szo­nych w roz­two­rze (mniej­sze).

Po pod­grza­niu roz­tworu i doda­niu kwasu w ten sam spo­sób jak przy poprzed­niej wer­sji doświad­cze­nia, możemy zau­wa­żać roz­ja­śnia­nie się obrazu. Przez układ prze­do­staje się wtedy coraz więcej świa­tła i widok przyj­muje zde­cy­do­wa­nie odmienną postać w sto­sunku do widzia­nego poprzed­nio (Fot.11).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Widok końc­owy

W obu doświad­cze­niach udało się uzy­skać podobny efekt: zmianę kie­runku pola­ry­za­cji świa­tła bie­gnącego przez roz­twór. Jaki jest jed­nak powód tego stanu rze­czy?

Wyja­śnie­nie

Aktyw­ność lub skręcal­ność optyczna, nazy­wana też czyn­no­ścią optyczną jest wła­ści­wo­ścią niek­tórych związ­ków che­micz­nych i polega na wyka­zy­wa­niu przez nie zdol­no­ści do skręca­nia płasz­czy­zny pola­ry­za­cji świa­tła uprzed­nio spo­la­ry­zo­wa­nego. Skręcal­ność optyczna należy do klasy zja­wisk związa­nych z dwój­łom­no­ścią, defi­nio­waną jako zdol­ność okre­ślo­nych ośrod­ków optycz­nych m.in. do podwój­n­ego zała­my­wa­nia świa­tła, a tym samym roz­dwa­ja­nia pro­mie­nia świetl­nego. Do sub­stan­cji dwój­łom­nych należy przy­kła­dowo kal­cyt będący natu­ralną, kry­sta­liczną posta­cią węglanu wap­nia CaCO3 [9]. Naj­ła­twiej to zau­wa­żyć w przy­padku wiel­ko­kry­sta­licz­nej odmiany kal­cytu, czyli tzw. szpatu islandz­kiego występu­jącego w for­mie rom­bo­e­drów (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Dwój­łom­ność szpatu islandz­kiego (ze zbio­rów autora)

Obraz widziany poprzez szpat jest roz­dwo­jony - jeśli będziemy obser­wo­wać go poprzez pola­ry­za­tor, to z łatwo­ścią stwier­dzimy, że świa­tło prze­cho­dzące przez krysz­tał ulega w tym przy­padku pola­ry­za­cji.

Ilustracja
Pola­ry­za­cja w dwój­łom­nym krysz­tale
ani­ma­cja: doda­tek autora

Skręce­nie płasz­czy­zny pola­ry­za­cji wywo­łane jest oddzia­ły­wa­niem świa­tła z cząstecz­kami sub­stan­cji wyka­zu­jącej aktyw­ność optyczną. Obec­nie znamy wiele sub­stan­cji che­micz­nych - zarówno kry­sta­licz­nych, bez­po­sta­cio­wych, jak i w for­mie roz­two­rów - wyka­zu­jących natu­ralną zdol­ność skręca­nia płasz­czy­zny pola­ry­za­cji. Kąt skręce­nia tej płasz­czy­zny jest cechą cha­rak­te­ry­styczną dla danej sub­stan­cji [10]. Miarą tej wiel­ko­ści jest skręcal­ność wła­ściwa, będąca sto­sun­kiem kąta skręce­nia płasz­czy­zny pola­ry­za­cji do dłu­go­ści drogi świa­tła poko­na­nej w roz­pa­try­wa­nym ośrodku. Wynika z tego, że wła­ści­wie jed­nostką skręcal­no­ści powinna być jed­nostka kątowa na metr, ale tra­dy­cyj­nie przyj­muje się, że droga optyczna dla pły­nów wynosi 10cm, nato­miast dla ciał sta­łych 1mm - wystar­czy więc wska­zać sub­stan­cję jakiej doty­czy pomiar i war­tość kąta skręce­nia płasz­czy­zny. Skręcal­ność wła­ściwą roz­two­rów defi­niuje się nieco ina­czej, ponie­waż ma na nią wpływ m.in. stęże­nie, tem­pe­ra­tura czy rodzaj wyko­rzy­sta­nego roz­pusz­czal­nika.

Warun­kiem koniecz­nym występo­wa­nia aktyw­no­ści optycz­nej cząste­czek jest ich chi­ral­ność, czyli ist­nie­nie w for­mie dwóch enan­cjo­me­rów, będących parami nie­na­kła­dal­nych na sie­bie form cząste­czek che­micz­nych, które są wza­jem­nymi odbi­ciami lustrza­nymi [11]. Trzeba jed­nak zazna­czyć, że nie wszyst­kie cząsteczki wyka­zu­jące chi­ral­ność są aktywne optycz­nie. Aby ją prze­ja­wiać w zau­wa­żal­nym stop­niu, roz­pa­try­wane cząsteczki chi­ralne muszą posia­dać sil­nie spo­la­ry­zo­wane wiąza­nia che­miczne poło­żone bli­sko cen­trum chi­ral­no­ści lub posia­dać przy tym cen­trum pod­staw­niki o wyraźnie różn­ych wła­ści­wo­ściach.

Skręcal­ność optyczną wyka­zują liczne związki związki orga­niczne i nie­or­ga­niczne. Więk­szość cząste­czek sub­stan­cji aktyw­nych optycz­nie ma naj­czę­ściej jeden lub więcej ato­mów, do których są przy­łączone co najm­niej trzy różne pod­staw­niki nie leżące na jed­nej płasz­czyźnie - są to wła­śnie wspom­niane wcze­śniej cen­tra chi­ral­no­ści. Ist­nieją jed­nak wyjątki od tej reguły, tj. cząsteczki nie posia­da­jące cen­trów chi­ral­no­ści, a wyka­zu­jące chi­ral­ność na sku­tek budowy prze­strzen­nej w for­mie spi­ral­nej lub posia­da­jące w swo­jej struk­tu­rze pewne ugru­po­wa­nia cykliczne.

W przy­padku związ­ków orga­nicz­nych, rolę cen­trów chi­ral­no­ści pełnią naj­czę­ściej atomy węgla, które mogą wiązać cztery różne pod­staw­niki. Wza­jemne usta­wie­nie tych pod­staw­ni­ków względem sie­bie w prze­strzeni jest nazy­wane kon­fi­gu­ra­cją abso­lutną. Kon­fi­gu­ra­cję tę ozna­cza się lite­rami R i S sta­wia­nymi przed sys­te­ma­tyczną nazwą związku i może być ona okre­ślona bez­po­śred­nio jedy­nie w wyniku badań metodą rent­ge­no­gra­fii struk­tu­ral­nej. Ist­nieje też metoda pośred­nia, na dro­dze syn­tezy asy­me­trycz­nej z sub­stra­tów o wcze­śniej usta­lo­nej kon­fi­gu­ra­cji abso­lut­nej. Zasady usta­la­nia tej kon­fi­gu­ra­cji są jed­no­znaczne, dzięki czemu można z samej nazwy związku odtwo­rzyć dokład­nie jego kon­fi­gu­ra­cję prze­strzenną [12].

Pow­szech­nie wyko­rzy­sty­wane w bio­che­mii ozna­cza­nie typów enan­cjo­me­rów jako form (+) i (–) wynika bez­po­śred­nio z tego, jak skręcają one płasz­czy­znę pola­ry­za­cji mono­ch­ro­ma­tycz­nego świa­tła spo­la­ry­zo­wa­nego o dłu­go­ści odpo­wia­da­jącej tzw. pierw­szej linii sodo­wej (λ=589nm) i nie mówi ono bez­po­śred­nio nic o kon­fi­gu­ra­cji abso­lut­nej. Enan­cjo­mery (+) skręcają płasz­czy­znę pola­ry­za­cji świa­tła w prawo, zaś (–) w lewo.

Mie­sza­nina dwóch enan­cjo­me­rów w rów­nym sto­sunku molo­wym jest nazy­wana mie­sza­niną race­miczną lub race­ma­tem i jej skręcal­ność optyczna wynosi zero, ponie­waż formy (+) i (–) skręcają płasz­czy­znę pola­ry­za­cji świa­tła zaw­sze o taki sam kąt, ale w prze­ciwną stronę.

Chi­ralne związki orga­niczne pro­du­ko­wane przez orga­ni­zmy żywe ist­nieją tylko w postaci jed­nego z dwóch możl­i­wych enan­cjo­me­rów. Możemy stąd wysnuć wnio­sek, że enan­cjo­mery – mimo takiego samego składu i podob­nej budowy prze­strzen­nej – posia­dają zna­cząco różne dzia­ła­nie bio­lo­giczne.

Wyko­rzy­stana przez nas w doświad­cze­niu sacha­roza jest dwu­cu­krem wyka­zu­jącym aktyw­ność optyczną, a jej skręcal­ność wła­ściwa wynosi +66,5°. Mogli­śmy to zaob­ser­wo­wać w pierw­szej czę­ści doświad­cze­nia, kiedy obec­ność naczy­nia z jej roz­two­rem wpły­wała na kąt, pod jakim trzeba było usta­wić wza­jem­nie pola­ry­za­tory, żeby uzy­skać wyga­sze­nie plamki świetl­nej na ekra­nie.

Sacha­roza w roz­two­rze wod­nym pod wpły­wem różn­o­rod­nych czyn­ni­ków, między innymi pod­wyższo­nej tem­pe­ra­tury i śro­do­wi­ska o odczy­nie kwa­śnym, ulega hydro­li­zie w myśl rów­na­nia reak­cji:

C12H22O11 (sacha­roza) + H2O → C6H12O6 (glu­koza) + C6H12O6 (fruk­toza)

W ten spo­sób cząsteczka sacha­rozy roz­pada się na dwie skła­dowe cząsteczki cukrów pro­stych: glu­kozę i fruk­tozę, które także są aktywne optycz­nie, ale kąt skręce­nia płasz­czy­zny pola­ry­za­cji jest w ich przy­padku zna­cząco różny od tego kąta dla sub­stan­cji wyj­ścio­wej. War­to­ści skręcal­no­ści wła­ści­wej dla glu­kozy i fruk­tozy wyno­szą odpo­wied­nio: +52,7° i −92,4°. Na sku­tek zacho­dze­nia reak­cji kąt skręca­nia płasz­czy­zny świa­tła spo­la­ry­zo­wa­nego stop­niowo zmniej­sza się, następ­nie prze­cho­dzi przez zero i w końcu zmie­nia znak na prze­ciwny. Jako, że całk­o­wite wyga­sze­nie pro­mie­nio­wa­nia prze­cho­dzącego przez układ doświad­czalny było możl­iwe tylko dla kon­kret­nego wza­jem­nego usta­wie­nia płasz­czyzn pola­ry­za­cji pola­ry­za­to­rów i począt­ko­wej war­to­ści skręcal­no­ści optycz­nej roz­tworu, to w wyniku zmian tej ostat­niej war­to­ści mogli­śmy zaob­ser­wo­wać stop­niowy wzrost inten­syw­no­ści świa­tła docie­ra­jącego do ekranu.

Aby się upew­nić, że w cza­sie reak­cji rze­czy­wi­ście docho­dzi do roz­kładu sacha­rozy do mie­sza­niny glu­kozy i fruk­tozy możemy wyko­nać pro­stą reak­cję ana­li­tyczną. Wyko­rzy­stamy w tym celu reak­cję Feh­linga [13]. Odczyn­nik Feh­linga jest błękitną cie­czą i zawiera jony mie­dzi(II) Cu2+ skom­plek­so­wane dzięki dodat­kowi winianu potasu sodu NaKC4H4O6.

Chcąc prze­pro­wa­dzić próbę Feh­linga musimy do dwóch pro­bówek wpro­wa­dzić por­cję odczyn­nika, a następ­nie do pierw­szej z nich odro­binę roz­tworu wyj­ścio­wego, nato­miast do dru­giej roz­tworu po reak­cji (po uprzed­nim zobo­jęt­nie­niu kwasu). Oba naczy­nia trzeba następ­nie ogrzać do zago­to­wa­nia cie­czy, oczy­wi­ście po umiesz­cze­niu w nich zarod­ków wrze­nia. Wynik próby przed­sta­wia Fot.13.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Wynik próby Feh­linga; A – roz­twór sacha­rozy, B – roz­twór po reak­cji hydro­lizy

Roz­twór wyj­ściowy nie spo­wo­do­wał zmiany barwy odczyn­nika – wynik próby jest więc nega­tywny, co wska­zuje na brak wła­ści­wo­ści redu­ku­jących (Fot.13A). Możemy to trak­to­wać jako potwier­dze­nie występo­wa­nia w tym roz­two­rze jedy­nie sacha­rozy. Próbka zawie­ra­jąca roz­twór pore­ak­cyjny zmie­niła nato­miast barwę na cegla­sto­czer­woną, co świad­czy o wła­ści­wo­ściach redu­ku­jących wyka­zy­wa­nych przez pro­dukty hydro­lizy sacha­rozy, a więc glu­kozę i fruk­tozę.

Uzy­skany przez nas pro­dukt hydro­lizy sacha­rozy na mie­sza­ninę glu­kozy i fruk­tozy jest nazy­wany w prze­my­śle cukrem inwer­to­wa­nym lub syro­pem cukru inwer­to­wa­nego, ponie­waż w cza­sie jego wytwa­rza­nia - jak mogli­śmy się prze­ko­nać - docho­dzi do zmiany kie­runku skręce­nia płasz­czy­zny pola­ry­za­cji świa­tła prze­cho­dzącego przez roz­twór, czyli wła­śnie inwer­sji. W naszym przy­padku do roz­kładu cukru w śro­do­wi­sku wod­nym doszło dzięki niskiemu pH roz­tworu. Pro­ces ten zacho­dzi jed­nak także przy udziale inwer­tazy, czyli cha­rak­te­ry­stycz­nego enzymu wytwa­rza­nego m.in. przez psz­czoły - nie dziwi więc fakt, że mie­sza­nina glu­kozy i fruk­tozy jest głów­nym skład­ni­kiem miodu [14]. Cukier inwer­to­wany sta­nowi jedną z ważn­iej­szych sub­stan­cji sło­dzących wyko­rzy­sty­wa­nych w prze­my­śle.

Przy­rząd optyczny słu­żący do okre­śla­nia skręcal­no­ści wła­ści­wej sub­stan­cji aktyw­nych optycz­nie nazy­wamy pola­ry­me­trem. Ponie­waż aktyw­ność optyczna roz­tworu zależy od kon­cen­tra­cji sub­stan­cji w nim roz­pusz­czo­nej, to po odpo­wied­nim wyska­lo­wa­niu pola­ry­metr może słu­żyć bez­po­śred­nio do pomiaru stęże­nia tej sub­stan­cji. Przy­kła­dem takiego roz­wiąza­nia jest sacha­ry­metr umożl­i­wia­jący pomiar stęże­nia sacha­rozy.

Kolej­nym prak­tycz­nym spo­so­bem wyko­rzy­sta­nia zja­wi­ska aktyw­no­ści optycz­nej jest obra­zo­wa­nie naprężeń wew­nątrz mate­ria­łów. Weźmy na przy­kład jakiś przed­miot wyko­nany z przej­rzy­stego two­rzywa sztucz­nego, np. ekierkę. W świe­tle nie­spo­la­ry­zo­wa­nym, czyli przy obser­wa­cji gołym okiem nie zau­wa­żymy w tym przy­padku niczego szcze­gól­nego (Fot.14).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Ekierka w świe­tle natu­ral­nym

Spróbujmy teraz umie­ścić ten sam przed­miot pomiędzy dwoma pola­ry­za­to­rami. Warto wypróbo­wać różne usta­wie­nia pola­ry­za­to­rów: z rów­no­le­głymi kie­run­kami pola­ry­za­cji (Fot.15A) i pro­sto­pa­dłymi (Fot.15B), a także pośred­nie.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.15 – Ekierka w świe­tle spo­la­ry­zo­wa­nym, A– zgodne (rów­no­le­głe) usta­wie­nie pola­ry­za­to­rów, B – pro­sto­pa­dłe usta­wie­nie pola­ry­za­to­rów

Kąt o jaki zostaje skręcona płasz­czy­zna pola­ry­za­cji zależy od naprężeń w mate­riale, a także od dłu­go­ści fali świa­tła spo­la­ry­zo­wa­nego. Efek­tem jest występo­wa­nie tzw. izo­ch­rom, czyli prążków inter­fe­ren­cyj­nych prze­bie­ga­jących przez punkty ciała, w którym różn­ica naprężeń głów­nych jest stała. Tym spo­so­bem wcho­dzimy na trop ela­sto­op­tyki. Nazwą tą okre­śla się cały zespół metod doświad­czal­nych słu­żących bada­niu stanu naprężeń i odksz­tałceń w nor­mal­nie izo­tro­po­wych cia­łach bez­po­sta­cio­wych, które pod obciąże­niem nabie­rają wła­ści­wo­ści ani­zo­tro­po­wych, co może prze­ja­wiać się między innymi wystąpie­niem dwój­łom­no­ści i efek­tów z nią związa­nych.

Występo­wa­nie naprężeń lub ich nie­pra­wi­dłowy roz­kład może być powo­dem usz­ko­dzeń lub zmniej­sze­nia trwa­ło­ści różn­ego rodzaju ele­men­tów. Obser­wa­cja w świe­tle spo­la­ry­zo­wa­nym dzięki zja­wi­sku aktyw­no­ści optycz­nej sta­nowi więc dosko­nały spo­sób na obser­wa­cję i ana­lizę takich wad, a także ich eli­mi­na­cję.

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

Autor chciałby podzięko­wać Patry­kowi Kwa­pie­niowi za inspi­ra­cję do prze­pro­wa­dze­nia opi­sa­nych doświad­czeń.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa