Legge di Biot: applicazioni nelle tecniche polarimetriche

La legge di Biot, dal nome nome del fisico francese Jean-Baptiste Biot che la scoprì nel 1815 è utilizzata nelle tecniche polarimetriche per relazionare il potere ottico rotatorio specifico con l’angolo di rotazione.
Le molecole chirali dette otticamente attive sono caratterizzate dalla proprietà di ruotare il piano della luce polarizzata.

prisma di Nicol da Chimicamo
prisma di Nicol

L’effetto causato da questa proprietà è indicato come rotazione ottica.

Misure quantitative dell’angolo di rotazione sono effettuate tramite polarimetri. In essi la luce ordinaria (in genere radiazione monocromatica del sodio) entra nel polarizzatore ed è convertita in luce polarizzata che passa attraverso il campione per arrivare a un altro prisma di Nicol detto analizzatore.

La soluzione interposta tra un polarizzatore ed un analizzatore con piani perpendicolari fa sì che parte della luce polarizzata attraversi l’analizzatore.

Noto l’angolo di rotazione dell’analizzatore che si rende necessario per annullare la porzione di luce trasmessa, si ricava la concentrazione della specie nella soluzione.

Rotazione

La maggior parte delle proprietà fisiche degli enantiomeri, ad esempio punto di fusione, punto di ebollizione, indice di rifrazione, ecc. sono identiche. Tuttavia, differiscono per una proprietà chiamata attività ottica, in cui un campione ruota il piano di polarizzazione di un raggio di luce polarizzata che lo attraversa. Nel 1812 Biot scoprì che l’entità della rotazione della luce dipendeva dallo spessore delle lastre di quarzo che usava.

Scoprì che altri composti, come, ad esempio, soluzioni di trementina e saccarosio, erano in grado di far ruotare la luce. Attribuì questa “attività ottica” a certe caratteristiche della loro struttura molecolare e, sulla base delle sue ricerche, e formulò la legge di Biot.

La rotazione avviene a causa dell’interazione tra la luce polarizzata e il mezzo chirale che essa attraversa.

Quindi la lunghezza del percorso del campione chirale influenza la rotazione. Maggiore è la lunghezza del percorso, maggiore è la rotazione poiché aumenta la quantità di campione chirale con cui interagisce la luce. Infatti, raddoppiando il percorso raddoppia la rotazione osservata.

Inoltre maggiore è la concentrazione, maggiore è la rotazione. E anche in questo caso, raddoppiando la concentrazione, la rotazione osservata è doppia.

Rotazione specifica e legge di Biot

Chiralità-chimicamo
legge di Biot e Chiralità

Per rendere più universali i dati per la rotazione osservata, è stata introdotta la rotazione specifica per quantità ([α]).

La rotazione specifica di un campione è misurata in una provetta da 1 dm a 25 °C utilizzando una lampada al sodio che emette luce a una lunghezza d’onda di 589 nm chiamata la linea D del sodio. La concentrazione del soluto chirale è mantenuta a 1 g/mL .
A parte la concentrazione e la lunghezza del percorso, anche la temperatura e il tipo di luce possono influenzare la rotazione osservata .

La rotazione specifica è una proprietà di un composto chimico chirale definita come il cambiamento di orientamento della luce monocromatica polarizzata nel piano, per unità di prodotto distanza-concentrazione, quando la luce passa attraverso un campione di un composto in soluzione.

Secondo la legge di Biot il valore della rotazione, che può essere oraria (+) o antioraria (-) costituisce una caratteristica del composto esaminato.
[α]λt  = α / l p

dove α è l’angolo di rotazione, l lo spessore in dm e p sono i grammi di sostanza per millilitro. Sostituendo in tale espressione al valore di p la concentrazione percentuale c del soluto si ha:
c = α ·100 /[α]λt

La proporzionalità espressa tra concentrazione di soluto ed angolo di rotazione della luce polarizzata è alla base dell’analisi polarimetrica quantitativa.

Enantiomeri

Gli enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata nella stessa misura ma in direzione opposta . Ad esempio, la rotazione specifica di (R)-2-butanolo e (S)-2-butanolo sono rispettivamente -13,52° e +13,52°

Pertanto in presenza di una miscela racemica ovvero di una miscela contenente il 50% di ogni enantiomero non si osserverà rotazione del piano della luce polarizzata

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