Concetti di Laboratorio di fisica

La polarimetria

La polarimetria è un metodo di analisi che si basa sull'interazione fra una radiazione luminosa e una sostanza otticamente attiva. Per quanto riguarda la radiazione luminosa, la luce è costituita da un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolari tra loro. Nel campo elettromagnetico risultante si individuano la direzione di propagazione e quella del vettore-campo, fra loro ortogonali, che individuano un piano di "polarizzazione". A seconda della giacitura di tale piano durante la propagazione della radiazione luminosa, si parlerà di polarizzazione lineare, ellittica o circolare. Le direzioni di propagazione e del vettore-campo, quindi la direzione di polarizzazione, e lo spettro luminoso possono essere alterati quando la luce si propaga in un mezzo materiale con il quale interagisce. Tale materiale o sostanza presenta quindi la proprietà di essere otticamente attiva, vale a dire di ruotare il piano di polarizzazione della luce.

che passa attraverso essa. Tale attività ottica è dovuta all' asimmetria nella forma delle molecole costituenti la sostanza immersa in una soluzione acquosa, ad esempio lo zucchero e gli aminoacidi. Se un fascio di luce polarizzata linearmente attraversa la soluzione, la direzione di polarizzazione viene progressivamente ruotata e il fascio luminoso emergerà con una nuova direzione di polarizzazione formante un angolo α con la direzione di propagazione iniziale. Il valore di tale angolo si otterrà dalla differenza tra l'angolo α1, ottenuto nel momento in cui la luce attraversa solo il solvente puro in condizioni di buio o di luce, e l'angolo α2 in cui è possibile vedere la minima o la massima intensità luminosa quando la luce attraversa la sostanza otticamente attiva. Quindi α = α1 - α2. Uno strumento che consente di misurare il potere rotatorio specifico di una sostanza presa in esame è

Il polarimetro. Esso consiste in un tubo di lunghezza l al cui estremo vi è una sorgente luminosa, dentro vi è un polarizzatore, il tubo porta campione, un analizzatore (o filtro polarizzatore) la cui sezione principale è rotabile. L'angolo di rotazione viene misurato attraverso un goniometro. Inoltre alla base del polarimetro è posto un dischetto che ruotando determina il colore e quindi la lunghezza d'onda della luce. Posta l'acqua all'interno del tubo porta campione ad un determinato volume, si ha una condizione di buio per un valore di α1. Se al posto del solvente puro si introduce una soluzione acquosa contenente zucchero disciolto o un'altra sostanza otticamente attiva, mantenendo il volume costante, per ogni lunghezza d'onda si ottiene una condizione di minima intensità luminosa ad un preciso α2 diverso per ogni colore. Si applica la formula R = α/ c x l, con R potere rotatorio specifico della sostanza,

α= α1 – α2, c concentrazione della sostanza espressa in gr/ml, l lunghezza del tubo. Si noti che le unità di misura di R saranno condizionate dalle unità di misura scelte per l e per c. Inoltre, se inizialmente si conosce il potere rotatorio di una sostanza otticamente attiva e si misurano la lunghezza del tubo e la differenza α1 – α2, è possibile ricavare quanta concentrazione della sostanza è stata versata nella soluzione acquosa, ricordando sempre di mantenere il volume costante passando dall’acqua distillata alla soluzione acqua e sostanza.

Effettuando un’esperienza in laboratorio sul calcolo del potere specifico, in una prima fase si introduce dentro il polarimetro alto 19 cm un cilindro graduato contenente 100 ml di sola acqua distillata. Un’iniziale condizione di buio si ottiene misurando un angolo α1 di 90° per le quattro lunghezze d’onda corrispondenti ai colori rosso, verde,

arancione e giallo segnati sul dischetto alla base del polarimetro. Stabilito così il grado minimo di intensità luminosa, in una seconda fase svuotiamo il cilindro graduato inserito precedentemente nel polarimetro, pesiamo su una bilancia 5gr di zucchero, versiamo questa quantità nel cilindro più acqua fino ad ottenere un volume totale uguale a quello iniziale, quindi di 100 ml. Dopo che lo zucchero si è sciolto, eventualmente facendo riscaldare per qualche istante la soluzione, si introduce il cilindro all'interno del polarimetro. Si nota che per un angolo di 90° si ottiene una condizione di buio per ogni lunghezza d'onda. Ad esempio, per la lunghezza d'onda corrispondente al colore verde si ottiene una condizione di buio per un angolo α1 di 90° e una minima intensità luminosa ad un angolo α2 di 83°. Si ottiene quindi α = α1 - α2 = 7°. Sostituendo tale valore nella formula K = α / c x l si

ottiene il potererotatorio della sostanza considerata, il glucosio, per una tale lunghezza d’onda. Ripetendo la stessaprocedura per tutte le quattro lunghezze d’onda, si ottengono i seguenti valori:

• Lunghezza d’onda corrispondente al giallo: 90°-83°=7°
• Lunghezza d’onda corrispondente al rosso: 90°-84°=6°
• Lunghezza d’onda corrispondente all’arancione: 90°-82°=8°

Si consideri ora in particolare il potere rotatorio del glucosio in relazione alla lunghezza d’onda delrosso. Esso risulterà essere K= 6°/ (19cm x 5/100 gr)= 5.7

Si introduca nel polarimetro la boccetta contenente zucchero ad una concentrazione non nota eacqua per un volume di 100ml. Conoscendo il valore del potere rotatorio del rosso dalla faseprecedente, è possibile ricavare la concentrazione dello zucchero precedentemente messa insoluzione. Infatti si ha la condizione di buio per α1= 90° e la minima

intensità luminosa per α2=77°. Si ottiene α= α1 – α2=13°. Utilizzando la formula inversa, c =(K x l)/α = (5.7 x 19cm)/13°= 8.33 gr/ml

In realtà, la concentrazione incognita inserita nella soluzione acquosa ha il valore di 7 gr/ml. Il valore ottenuto sperimentalmente è leggermente diverso da quello reale a causa di errori inevitabili riguardanti la scelta delle cifre significative dei dati ottenuti o la dispersione di piccole quantità di liquido nel passaggio tra l’acqua distillata e la soluzione.

LA VISCOSITÀ

La viscosità è quella proprietà che indica la maggiore o minore resistenza di scorrimento posseduta da un fluido. Essa è indicata con il simbolo η ed essendo una grandezza dimensionale mi misura in M/Lt o più comunemente in Kg/ m x sec. L’unità di misura è in pratica il poise o il suo sottomultiplo il centipoise. Nei liquidi la

La soluzione è quindi data dal rapporto tra lo spazio percorso che intercorre tra i due traguardi e il tempo di caduta tra di essi calcolato con un cronometro. Inoltre il raggio del corpo sferico si misura con l'uso del calibro Palmer. Questo è uno strumento ad elevata sensibilità di lettura costituito da due ganasce tra le quali si inserisce la pallina di cui si vuole misurare il diametro, da un dispositivo di bloccaggio per fermare l'oggetto e da due scale, una per la lettura dei centesimi e una per la lettura dei millesimi e mezzi millesimi. La bilancia idrostatica di Mohr-Westphal è costituita da un gioco e da due bracci asimmetrici senza piatti. Da una parte è appeso un peso che a sua volta è completamente immerso nella soluzione presa in esame per l'esperienza senza che tocchi le pareti del recipiente tarato contenente il liquido. A questo punto si inseriscono dei cavalieri lungo il braccio numerato per ristabilire la posizione.

d'equilibrio fra i due bracci. Essendo un liquido più denso dell'acqua, il cavaliere appeso allo stesso uncino a cui si appende l'immersore indica il numero 1 prima della virgola, mentre i numeri dopo la virgola si ricavano leggendo i valori delle posizioni a cui sono stati appesi opportunamente i cavalieri, partendo per la lettura dal più pesante al più leggero. Il valore ottenuto è la densità del liquido in g/cm^3.

Si conduce ora un'esperienza in laboratorio sulla determinazione della viscosità di una soluzione più densa dell'acqua. In un primo momento si misura il diametro della pallina utilizzata per l'esperienza attraverso il calibro Palmer. Si effettuano dieci tentativi di misurazione del tempo e si calcola il valore medio, che verrà dimezzato ed elevato alla seconda in quanto nella formula della viscosità è richiesto il valore del raggio. Le misure ottenute sono 1.73 sec, 1.50 sec, 1.40 sec,

1. 1.54sec
2. 1.20 sec
3. 1,50 sec
4. 1.48 sec
5. 1.30 sec
6. 1.40 sec
7. 1.60 sec

Il valore medio è t= 1.455 sec, da cui v= 26,5 cm/ 1.455 sec = 18,2 cm/sec dove 26,5 cm è la lunghezza del cilindro.

Si prende ora il calibro Palmer e si effettuano dieci misurazioni, ottenendo: