SRO: Polariseret lys og optisk aktivitet

Side 1

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

1

Indholdsfortegnelse

Indledning ................................................................................................................................................... 3 Polariseret lys .............................................................................................................................................. 4 Figur 1: Elektromagnetiske felts svingning ........................................................................................ 4 Upolariseret lys ....................................................................................................................................... 5 Figur 2: Upolariseret og polariseret lys .............................................................................................. 5 Polariseringsfilter .................................................................................................................................... 5 Vektorregning ......................................................................................................................................... 6 Figur 3: Vektorregning ....................................................................................................................... 6 Figur 4: Koordinatsystem med vektorer ............................................................................................. 6 Cirkulært polariseret lys .......................................................................................................................... 7 Figur 5: Cirkulært polariseret lys ........................................................................................................ 8 Elliptisk polariseret lys ........................................................................................................................... 8 Lineært polariseret lys............................................................................................................................. 8 Optisk aktivitet ............................................................................................................................................ 9

Z/E-isomeri ............................................................................................................................................. 9
Figur 5: Z/E-isomeri model ................................................................................................................ 9
Cis/trans-isomeri ................................................................................................................................... 10
R/S-isomeri ........................................................................................................................................... 10
Figur 6: Rækkefølgen ved R/S-isomeri ............................................................................................ 11

Figur 7: (R)-bromchlorfluormethan .................................................................................................. 11 Figur 8: Model af polarimeter ........................................................................................................... 12 Forsøget..................................................................................................................................................... 14 Formålet ................................................................................................................................................ 14 Databehandling ..................................................................................................................................... 14 Figur 9: Sammenhæng fra LoggerPro............................................................................................... 14

Side 2

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

2

Figur 10: Skitse over resultater ......................................................................................................... 15 Figur 11: Skitse over bearbejdede resultater ..................................................................................... 15 Fejlkilder ............................................................................................................................................... 16 Konklusion ................................................................................................................................................ 16 Bilag 1 ....................................................................................................................................................... 18 Forsøgsbeskrivelse ................................................................................................................................ 18 Tabel 1: Koncentrationer .................................................................................................................. 19 Bilag 2 ....................................................................................................................................................... 19 Resultater af sukkeropløsning og hyldeblomstsaft ............................................................................... 19 Tabel 2: sukkeropløsninger ............................................................................................................... 19 Carvon-forsøget .................................................................................................................................... 20 Tabel 3: Carvon koncentrationer ...................................................................................................... 20 Tabel 4: Carvon resultater ................................................................................................................. 20 Standardkurve ....................................................................................................................................... 20 Graf 1 ................................................................................................................................................ 20 Graf 2 ................................................................................................................................................ 21

Side 3

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

3

Indledning

Denne opgave omhandler polariseret lys og optisk aktivitet set gennem fagene fysik og kemi. De kommer både til at belyse begreberne hver for sig, men også i et sammenspil, der vil gøre at vi kommer til at forstå det fuldstændigt og ikke vil føle nogle mangler. Sammenspillet mellem fysik og kemi er nemt at finde, samtidigt med at det er et sammenspil, hvor der bliver udfordret fra begge sider og dermed opnås en slags harmoni mellem de to fag.

Jeg valgte dette emne og disse fag, da jeg synes det lød specielt interessant. Nogle gange kan kombinationen af fysik og kemi virke nærved umulig, da der nogle gange fra begge fags side bliver set ned på det andet. Men den sammenhæng og den harmoni der er mellem fysik og kemi, er noget helt specielt. To naturvidenskabelige fag vil for det meste helt automatisk falde i hak og give sød musik i ørerne, men det kan samtidigt være udfordrende. For samtidigt med at man skal kombinere dem, skal

man også holde dem adskilt. For selvom man i folkeskolen har faget fysik/kemi, er det langt fra to sider

af samme sag. Fysik og kemi på en måde langt fra hinanden i gymnasiet og ofte er det svært at se den sammenkobling, man altid havde i folkeskolen.

Så da jeg valgte at skrive i fysik og kemi, tænkte jeg meget over præcis hvordan, jeg ville skabe denne klang mellem de to fag. Og det var noget jeg fandt meget spændende og udfordrende, og derfor valgte jeg det. For at udfordrer mig selv. Da emnet så også lød så interessant, var der ingen andre muligheder.

Og når vi først kommer ordentligt i gang, håber jeg, at også I vil føle den specielle harmoni mellem de to fag. Den specielle følelse af at ville afskille noget, men ikke at kunne, da det hænger så meget sammen.

Jeg håber, at I som læsere føler at arbejdet er fuldført og spændende, og at I bliver grebet af emnet, ligesom jeg selv er blevet. Jeg håber at emnet får samme indflydelse på jer, som det gjorde på mig.

Side 4

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

4

Figur 1: Elektromagnetiske felts svingning

Polariseret lys

Lys er bølger. Der findes to forskellige slags bølger; den ene slags er transversalbølger, hvis kendetegn er at udsvinget bevæger sig modsat af udbredelsesretningen, og den anden slags er longitudinalbølger, der kendetegnes ved at de udbreder sig fremad og at udsvinget bevæger sig den samme vej. Lys er transversalbølger.

Lys er også elektromagnetisk stråling. Elektromagnetisk stråling er specielt fra ”normale” bølger, for elektromagnetisk stråling består af fotoner. Fotoner har både partikel- og bølgeegenskaber og man kan derfor beskrive udbredelsen af lys med bølger.

Synligt lys kan beskrives som elektromagnetiske svingninger med bølgelængder fra ca. 400 nm til ca.

700 nm. Hvidt lys er en sum af plane bølger, der hver især har en bestemt frekvens mellem 430 THz og

750 THz, der svarer til de førnævnte bølgelængder. Hver frekvensdel fortolkes som en bestemt farve af vores øjne, men kombinationen af forskellige frekvenser opfattes som hvidt lys.

Hvis vi forestiller os et tredimensionelt koordinatsystem, hvor en lysstråle bliver udsendt langs z-aksen, vil det elektromagnetiske felt svinge i x-y planet. Dette kan vi se på billedet herunder med vektorer, som vi kommer ind på senere.

Figur 1 er samtidigt den korrekte beskrivelse af lys. 𝐸

⎯ ⃗ er det elektromagnetiske felt. Vi kan se at feltvektoren ændrer sig sammen med at det elektromagnetiske felt svinger.

Side 5

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

5

Upolariseret lys

Upolariseret lys består af en masse lysbølger, der svinger i alle mulige forskellige retninger.

Svingningernes orientering i x-y planet er altså forskelligt og tilfældigt fordelt. Polariseret lys er så når alle lysbølgerne svinger i samme retning og altså har samme orientering i x-y planet. På billedet herunder kan vi se upolariseret lys til venstre og polariseret lys til højre.

Polariseringsfilter

I midten af figur 2 ses et polariseringsfilter. Dette filter lader kun lys med en bestemt lineær polarisation trænge igennem og derved får man polariseret lys. Hvis man sætter to polariseringsfiltre op foran hinanden, foran en lyskilde, kan man helt fjerne lyset eller fuldstændig polarisere det.

Vi kender polariseringsfiltre fra vores hverdag. I alle solbriller bliver det brugt, så solens stråler ikke kan komme igennem solbrillerne, da de i så fald ville miste deres funktion.

Måden et polarisationsfilter fungerer på kan forklares ved at forestille sig, at en elektron sidder i en meget tynd ledning. Vi forestiller os så, at der bliver lyst på denne ledning, og at ledningen er parallel med lysets polariseringsretning. Elektronen vil blive påvirket af det elektriske felt fra lyset, og den vil begynde at svinge i takt med lysets bølger. Da elektronen bliver påvirket og sat i bevægelse, skal den bruge energi. Denne energi optager elektronen fra det elektriske felt, altså fra lyset. Når elektronen optager energi fra lyset, vil lyset blive dæmpet.

Hvis vi så forestiller os, at lysets polariseringsretning er på tværs af ledningens retning, betyder det at elektronen ikke kan bevæge sig særlig langt, da den er begrænset af ledningens tværsnit. Og ledningen

Figur 2: Upolariseret og polariseret lys

Side 6

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

6 er som sagt meget tynd. Elektronen kan altså ikke sættes i bevægelse som før, og den vil derfor ikke optage noget energi fra det elektriske felt. Lyset kan derfor passere relativt uhindret igennem ledningen.

Det er altså således et simpelt polarisationsfilter fungerer, lige bortset fra at det ikke er ledninger, der er i det, men derimod lange molekyler, der kan sammenlignes med og fungerer lidt som ”nanoledninger”, altså ultratynde og små ledninger.

Vektorregning

For at vi kan forstå polariseret lys fuldstændigt, skal vi kunne lidt vektorregning. Vi skal kunne lægge to vektore sammen. Det gør man som vi kan se på billedet til venstre.

Det man gør er, at sætte vektor b efter slutningen af vektor a.

Man tegner så en vektor mellem starten af vektor a til slutningen

af vektor b. Hermed får man vektoren 𝑎⃗ + 𝑏, der også kaldes

⎯ ⃗ sumvektoren. Grunden til at vi skal vide dette er, at vi så kan opstille et koordinatsystem med det elektromagnetiske felt som én vektor og derved kan vi bedre forklare polariseret lys.

Koordinatsystemet ser således ud:

Vi kan se at 𝐸 er sumvektoren af 𝐸_{𝑥} + 𝐸_{𝑦}. Vinklen 𝜃 er

⎯ ⃗ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⃗ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⃗ den vinkel, vi drejer vores polfiltre i forhold til hinanden.

Hvis lys kommer ind gennem y-aksen, kommer lys der er

parallelt med den optiske akse, 𝐸_{𝑦}, igennem filtret ved 45

⎯ ⃗

grader. Det kan vi se med formlen |𝐸_{𝑥} | = |𝐸 | ∙ cos (𝜃)

⎯ ⃗ ⎯ ⃗

Figur 3: Vektorregning

Figur 4: Koordinatsystem med vektorer

Side 7

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

7

Hvis to polarisationsfiltre er vinkelret med hinanden, vil der altså ikke komme lys igennem, da cos (90)

er 0 og hele værdien for |𝐸_{𝑥} | vil være 0. Det kan man også se, hvis man holder to polarisationsfiltre op

⎯ ⃗ foran hinanden. Hvis de vender samme vej, bliver lyset dæmpet en smule. Men hvis man så holder dem, så de er vinkelrette på hinanden, kommer der intet lys igennem.

Lysets intensitet er proportional med det elektromagnetiske felt i anden ganget med cosinus til vinklen theta, og det kan vi skrive som ligningen:

𝐼 ∝ |𝐸 | ∙ cos (𝜃)

⎯ ⎯ ⎯ ⃗^{2}

Lys er som sagt et svingende elektromagnetisk felt. Et elektromagnetisk felt beskriver en kraft på en ladet partikel, så at kraften F på en partikel med ladningen q er givet ved:

𝐹 = 𝑞 ∙ 𝐸

⃗ ⎯ ⃗

Den elektrisk ladet partikel bliver påvirket af lysets elektromagnetiske felt og bevæger sig i kraftens retning. Således vil en elektron, der bliver belyst, opleve en svingende kraftpåvirkning og den vil herved blive sat i en tilsvarende bevægelse.

Der er tre former for polariseret lys; lineært polariseret, som vi vil beskæftige os med, cirkulært polariseret og elliptisk polariseret.

Cirkulært polariseret lys

Cirkulært polariseret lys kan opnås med en kvartbølgeplade. Kvartbølgepladen vil forsinke det ene felt,

for eksempel 𝐸_{𝑥}, en kvart bølgelængde. De to felter vil derfor svinge ude af takt og forskudt af

⎯ ⃗ hinanden. Feltvektoren, 𝐸, vil derfor bare dreje rundt og rundt, og den vil aldrig få længden nul.

⎯ ⃗

Cirkulært polariseret lys kan være både højre- og venstredrejet polariseret lys. Dog får man kun cirkulært polariseret lys ved nøjagtigt en kvart bølgelængde, ellers får man elliptisk polariseret lys. I figur 5 kan vi se en model af cirkulært polariseret lys.

Side 8

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

8

Elliptisk polariseret lys

Elliptisk polariseret lys er, kort sagt, noget rod. Det er alt det polariseret lys imellem lineært og cirkulært polariseret lys, og feltvektoren drejer derfor ikke kun rundt, men skifter også længde. Der findes ikke en bestemt model af elliptisk polariseret lys, da det kan have alle former og længder.

Lineært polariseret lys

Vi vil som sagt beskæftige os nærmere med lineært polariseret lys, nærmere bestemt plan-polariseret lys.

Plan-polariseret lys opstår ved, at der kun kommer for eksempel den vertikale E-komponent gennem et polarisationsfilter. En planpolariseret elektromagnetisk bølge er lineært polariseret. En cirkulær eller

elliptisk polariseret bølge er altså ikke planpolariseret. Dog består planpolariseret lys af 50/50 af højre-
og venstredrejet cirkulært polariseret lys. Denne 50/50 blanding af cirkulært polariseret lys i hver sin

retning gør, at de ”går ud med hinanden” og skaber planpolariseret lys.

Kun planpolariseret lys kan bruges til forsøg med chirale molekyler (som vi kommer ind på længere nede), som vi har brugt i vores forsøg [1]. Grunden til at vi skal bruge netop denne slags polariseret lys er,

at det som sagt består af 50/50 højre- og venstredrejet cirkulært polariseret lys, og når det så bliver sendt

igennem et optisk aktivt stof, vil højre- og venstredrejningerne rejse med forskellig hastighed og vi vil derfor kunne se en ændring i theta.

1

Forsøgsbeskrivelse kan læses i bilag 1

Figur 5: Cirkulært polariseret lys

Side 9

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

9

Optisk aktivitet

Hvis polariseret lys ændrer polarisationsretning når det passerer gennem et stof, siges stoffet at være optisk aktivt.

For at kunne forstå begrebet optisk aktivitet skal vi først igennem struktur-isomeri. Molekyler kan have samme molekyleformel, men ikke have samme struktur. De forskellige strukturer af et molekyle siges at

være isomere. Der findes tre forskellige former for struktur-isomeri. De tre er Z/E-, cis/trans- og R/S-

isomeri.

Z/E-isomeri

Ved Z/E-isomeri skal der være en dobbeltbinding, da der ikke er fri drejelighed ved en dobbeltbinding.
Z/E-isomeri kan beskrives ud fra figur 5, der ses nedenfor.

Men der er kun tale om isomere former, hvis og .For at kunne finde ud af om det er Z-eller E-isomeri skal man vide hvilken prioritering grupperne har. Jo højere atomnummer en gruppe har, desto højere prioritet har den.

Hvis man kigger på model 1 og siger at og har højest prioritet, er der tale om Z-formen. Dette kan man se ved at de sidder på samme side af dobbeltbindingen. Hvis det derimod er og , der har højst prioritet, vil det være E-formen. Dette kan man her se ved, at de sidder på hver deres side af dobbeltbindingen.

En nem måde at huske det på er, at Z står for zusammen og E for entgegen [2].

2

Tysk: zusammen = sammen, entgegen = imod

Figur 5: Z/E-isomeri model

Side 10

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

10

Cis/trans-isomeri

Cis/trans-isomeri optræder når der er atomer/atomgrupper, der er fastlåste i deres stillinger på grund af

en ringstruktur med enkeltbindinger. De 6 carbonatomer i en cyclohexanring definerer en flade. Når der så i en cyclohexanring bliver to hydogenatomer, der sidder fast på hver sit carbonatom, substitueret, dannes der en isomer. Hvis så de to substituenter sidder på samme side af den flade, som cyclohexanringen definerer, er det cis-formen. Hvis de derimod sidder på hver deres side af fladen, er det trans-formen.

R/S-isomeri

Den sidste isomeri, R/S-isomeri, forekommer hvis et carbonatom er asymmetrisk. For at et carbonatom
kan siges at være asymmetrisk, skal det være bundet til 4 forskellige atomer/atomgrupper. Et

asymmetrisk carbonatom vises ved at sætte en lille stjerne, *, udfor C’et når man skitserer et molekyle.

Hvis et carbonatom er asymmetrisk kan der dannes to forskellige stoffer, der er spejlvendte i forhold til hinanden. R-formen og S-formen for et stof har stort set de samme fysiske egenskaber, men påvirker biologiske systemer meget forskelligt. De to former kan også have forskellig smag og lugt. Disse molekyler, der har både en R- og en S-form, kaldes chirale molekyler.

I forsøget beskæftiger vi os med carvon, der er R/S-isomeri, og derfor vil der blive gået lidt mere i
dybden med R/S-isomeri i forhold til de to andre former for isomeri.

R/S-isomeri kan sammenlignes med vores hænder. De er spejlbilleder af hinanden men de er stadig

meget forskellige. Man kan ikke klemme venstre hånd ned i højre hånds handske og omvendt. Så i rent

kemiske sammenhænge kan hænder siges at være chirale. På samme måde er det med R/S-formerne af

et stof. De er hinandens spejlbilleder, men har stadig meget forskellige effekter på biologiske systemer.

Grunden til at to molekyler med R/S-isomeri har så forskellig virkning rent biologisk, er på grund af

at receptorer udenpå celler er meget specifikke. Et molekyle skal have en helt bestemt form for at kunne komme igennem receptoren. R- og S-formerne af et molekyle er bøjet forskelligt og passer derfor til forskellige receptorer.

For at man kan afgøre om et molekyle er R- eller S-form, skal man først prioritere de fire

atomer/atomgrupper. Princippet er det somme som ved Z/E-isomeri; jo højere atomtal, jo højere

Side 11

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

11 prioritet. Hvis der er to atomgrupper med samme molekyle bundet til carbonatomet, kigger man på hvilke atomer, der er knyttet til det atom. Rækkefølgen for de mest forekommende atomer og nogle atomgrupper er:

Vi kan se, at hydrogen er det lavest placeret atom. Hvis et asymmetrisk carbonatom er bundet til et hydrogen, skal hydrogenet placeres således, at det vender væk fra øjet. Man skal herefter kigge på rækkefølgen af de tre sidste atomer.

Vi kan bruge bromchlorfluormethan som eksempel. I bromchlorfluormethan er carbonatomet bundet til et hydrogen-, et flour-, et chlor- og et bromatom.

Hvis vi placerer molekylet for øjet med hydrogenet pegende væk, ser det således ud som til højre. Vi kan se at rækkefølgen er 𝐹 < 𝐶𝑙 < 𝐵𝑟.

Rækkefølgen følger altså uret og molekylet er derfor R-formen. Molekylet hedder altså (R)-bromchlorfluormethan. Hvis rækkefølgen er mod uret, har man en S-form [3].

En anden metode, til at bestemme om et molekyle er R- eller S-form, er med sine hænder. Man finder prioriteringen på samme måde som ved metoden før. Denne gang tager man sin ene hånd og starter med, for eksempel højre hånd. Man peger så sin tommelfinger i den retning, hvor atomet med den laveste prioritet peger. Så kigger man på prioriteringen af de tre andre atomer. Hvis rækkefølgen af atomernes prioritering passer med den vej, man lukker sine fingrer, har man ’den rigtige hånd’ i brug. Hvis det ikke passer, prøver man med den anden hånd, som så meget gerne skulle passe.

Vi bruger bromchlorfluormethan som eksempel igen. Hydrogenet sidder væk fra os og tommelfingeren skal altså pege væk fra os selv. Vi tager højre hånd og kigger på prioriteringerne. Som før er prioriteringen af atomerne stadig 𝐹 < 𝐶𝑙 < 𝐵𝑟. Vi kan se at det passer med den retning, vi lukker vores hånd i. Vi har altså ’den rigtige hånd’ i brug, højre hånd. Hvis det passer med højre hånd er det R-formen, mens at hvis det passer med venstre hånd, er S-formen man har med at gøre. Derfor kan vi igen se at bromchlorfluormethan er højredrejet og dermed (R)-bromchlorfluormethan.

3

Latin: rectus = højre, sinister = venstre

Figur 6: Rækkefølgen ved R/S-isomeri

Figur 7: (R)-bromchlorfluormethan

Side 12

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

12

Sådan kan man altså bestemme om et molekyle er R- eller S-form med to forskellige metoder. Hvilken metode man vælger at benytte, er en smagssag. Begge metoder er lige rigtige, og man finder frem til det samme resultat.

Som tidligere skrevet er forskellen i de fysiske egenskaber af et molekyles R- og S-form meget lille, men de påvirker lys forskelligt. Når et stof indeholder et asymmetrisk carbonatom, er begge former af stoffet optisk aktive.

For at måle et molekyles optiske aktivitet bruger man et polarimeter [4]. I et polarimeter er der en lyskilde, der udsender upolariseret lys. Dette lys bliver så polariseret i det første polarisationsfilter, polarisatoren, hvor der kun kommer lys igennem, hvis udsving foregår i det vandrette plan. Det andet polarisationsfilter, analysatoren, lader kun lys, hvis udsving foregår i det lodrette plan, komme igennem.

Derfor vil der altså ikke komme noget lys igennem. Under ses en model af et polarimeter.

Når man så har en opløsning, lægger man denne imellem de to polarisationsfiltre. Lyset vil stadig blive polariseret, så at bølgernes udsving foregår i det vandrette plan. Men denne gang komme lyset igennem en prøve der indeholder enten R-formen eller S-formen af et molekyle. Denne prøveopløsning vil ændre lysets polarisationsretning og der vil så komme lys igennem ved analysatoren. Man skal derfor dreje analysatoren til der igen ikke kommer noget lys igennem. Man kan aflæse den vinkel, man har drejet, og

dermed har man vinklen 𝛼^{5}. Et molekyles R-form og S-form vil dreje lysets polarisationsretning lige

4

For billede af et polarimeter, se bilag 1

5

Vinklen 𝛼 er den samme som vinklen 𝜃, men bliver kaldt 𝛼i kemi. Derfor skifter navnet, men vinklen er den samme

Figur 8: Model af polarimeter

Side 13

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

13 meget, bare i hver sin retning. 𝛼 vil altså have samme værdi for begge former, blot at den ene er positiv, mens den anden er negativ.

Størrelsen af drejningen af lysets polarisationsretning er forskelligt fra stof til stof, men afhænger også af fire andre ting; opløsningens temperatur, koncentrationen, lysets bølgelængde og længden af røret, hvori opløsningen er. Denne sammenhæng kan vi skrive med formlen:

𝛼 = [𝛼]_{𝜆}^{𝑡} ∙ 𝑐 ∙ 𝑙

[𝛼]_{𝜆}^{𝑡} er den del af drejningen, der er afhængig af stoffet. Denne kaldes den specifikke drejning. Hvis en

prøveopløsning indeholder en racemisk [6] blanding, vil der ikke ske noget med 𝛼. Grunden til dette er, at de to former i så fald ved udligne hinanden og værdien for 𝛼 vil være 0.

Der er ikke nogen direkte sammenhæng mellem hvilken form molekylet er, og den vej det drejer polarisationsretningen.

6

En racemisk blanding er en blanding hvor der er 50/50 af R-formen og S-formen af et stof.

Side 14

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

14

Forsøget

Formålet med vores forsøg er, at finde ud af hvor meget sukker der er i hyldeblomstsaft ud fra en standardkurve. Desuden vil vi undersøge R-formen og S-formen af carvon i et polarimeter.

Forsøgsbeskrivelse kan findes i bilag 1. Resultater samt grafer kan findes i bilag 2.

Databehandling

                                             7
Ud fra prøveopløsningerne har vi lavet en standardkurve

i LoggerPro. Vi lavede så en lineær tilpasning og fik følgende sammenhæng af LoggerPro:

Vi kan ud fra denne se, at sammenhængen mellem koncentrationen af sukker i en opløsning og vinklen,

den drejer polarisationsretningen, er 𝑐 = 0,01640𝛼 − 0,007261. Vi kan se, at hver gang 𝛼 stiger med
én, stiger koncentrationen med 0,01640_{𝑚𝑙}^{𝑔}.

Hyldeblomstsaften havde en 𝛼 værdi på 165^{o}. Derfor må koncentrationen af sukker i hyldeblomstsaften
være 𝑐 = 0,01640𝛼 − 0,007261 = 0,01640 ∙ 165 − 0,007261 = 𝟐, 𝟔𝟗𝟖𝟕𝟑𝟗_{𝒎𝒍}^{𝒈}. Der er altså ca. 2.699

gram sukker pr. milliliter i hyldeblomstsaft.

Hvis vi zoomer ud på vores graf, kan vi også finde koncentrationen af sukker i hyldeblomstsaften. Vi

kan se at ca. ved 𝛼 = 165 er koncentrationen 𝑐 = 2.72^{8}. Det er en meget lille forskel og vi kan derfor

7

Graf 1

8

Graf 2

Figur 9: Sammenhæng fra LoggerPro

Side 15

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

15

godt regne med vores første resultat på 2.699_{𝑚𝑙}^{𝑔}.

På denne måde kan man altså finde sukkerkoncentrationer i forskellige sukkerholdige væsker. Man kan selvfølgelig også vende den om, og på den måde finde 𝛼 ud fra sukkerkoncentrationen.

Vi målte som sagt også på to carvon blandinger. En med R-form og en med S-form. Hvis vi bare kigger hurtigt på vores resultater [9], giver de ikke synderligt mening i forhold til at deres 𝛼-værdi burde være den samme, bare med forskelligt fortegn. Grunden til dette er, at der i vores polarimeter ikke var ’højre og venstre’, når det kom til 𝛼-værdierne. Men hvis vi skitserer det, kan vi se at det giver mere mening.

Først skitserer vi de resultater vi har fået i en cirkel [10]. Det ser således ud:

Lige her ser det ikke ud til at give mening. De to streger har ikke noget med hinanden at gøre og vil i en racemisk blanding ikke gå ud med hinanden. Det passer altså slet ikke. Men hvis vi tænker at den ene er højredrejet mens den anden er venstredrejet, kan vi fortsætte den ene streg og se på resultatet der.

Den ser så ud som skitseringen til højre. Nu giver det meget mere mening.

Der er nu kun en meget lille forskel i drejningen til højre og drejningen til venstre. Vi kan nu også sige at (R)-carvon er venstredrejet og at (S)-carvon er højredrejet. Nu kan vi også se, at hvis vi havde en racemisk blanding af R-og S-carvon, ville der ikke være nogen drejning, hvis man ser bort fra den meget lille måleusikkerhed.

9

Bilag 2

10

En cirkel fordi den ende af polarimeteret, hvor man kigger efter, hvor der ikke kommer noget lys igennem, er en cirkel Figur 10: Skitse over resultater

Figur 11: Skitse over bearbejdede resultater

Side 16

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

16

Fejlkilder

Der er nogle fejlkilder ved vores to forsøg. I det første med sukkeropløsningen kan der være sket det, at der har siddet noget af den tidligere sukkeropløsning i glasset, da vi har puttet en ny koncentration i og vi kan derfor have fået en ikke helt rigtig koncentration. Dette har vi dog prøvet at formindske ved at starte med en tynd opløsning og slutte med en tyk [11].

En fejlkilde der er ved forsøget med carvon, og som højst sandsynligvis har skabt den lille forskel i resultaterne, er, at den ene opløsning var ældre end den anden. Derved kan den have oxideret og dette vil forstyrre opløsningens ændring af lysets polarisationsretning.

Der kan også have forekommet små måleusikkerheder, da polarimeteret er manuelt og vi kan have ramt lidt ved siden af, ved aflæsningen af vinklen 𝛼.

Konklusion

Vi har fundet ud af, at upolariseret lys består af en masse bølger, hvis udbredelsesretning er forskellige.

Ved hjælp af et polarisationsfilter kan man polariseret lyset på tre forskellige måder; lineært, cirkulært og elliptisk. Vi beskæftigede os mest med lineært polariseret lys, da vi skulle bruge planpolariseret lys til vores forsøg og planpolariseret lys er lineært polariseret.

Vi kiggede på de forskellige former for isomeri og gik i dybden med R/S-isomeri. Kravet for at der
kan være R/S-isomeri var, at der var et asymmetrisk carbonatom, hvilket vi fik beskrevet hvad var,

ligesom vi fik beskrevet chirale molekyler og begrebet optisk aktivitet.

I forsøget kom vi frem til at sukkerindholdet i hyldeblomstsaft er ca. 2.699_{𝑚𝑙}^{𝑔} ud fra vores

standardkurve, der var lavet ud fra sukkeropløsninger med forskellige koncentrationer af sukker. Vi fik også undersøgt R-formen og S-formen af et stof, nemlig carvon. Vi fandt 𝛼-værdien for begge og kunne ved hjælp af skitsering se, at det var den samme 𝛼-værdi bare med forskelligt fortegn.

Vi har fundet nogle få fejlkilder, der kan være skyld i de små forskelle, der var i forsøget. Men udover disse passede vores resultater rigtig godt og vi behøver derfor ikke at forkaste nogle af dem.

11

Se forsøgsbeskrivelse, bilag 1, for at læse nærmere om denne metode

Side 17

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

17

Vi har været igennem alt der er værd at vide om polariseret lys og optisk aktivitet ved at bruge fagene fysik og kemi, både lidt hver for sig, men også i sammenspil. Derved kunne vi forstå os på vores forsøg og resultater og kunne derved lave databehandlingen.

Og vi fandt, ej at forglemme, den specielle harmoni mellem de to fag. Vi fik dem til at spille uforstyrret sammen og fik belyst begreberne fra begge sider, så at de blev belyst ordentligt og sådan at vi nu kan føle at vi har styr på det hele inden for polariseret lys og optisk aktivitet.

Side 18

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

18

Bilag 1

Forsøgsbeskrivelse

Til forsøget brugte vi et polarimeter (som kan ses på billederne nedenfor), en sukkeropløsning hvor der var 1 gram sukker pr. 2 milliliter vand, to glasbeholdere på henholdsvis 2 dl og 1 dl til polarimeteret, to carvon-blandinger, en højre drejet og en venstre drejet og hyldeblomstsaft.

Vi startede med at sætte polarimeteret op og tændte for det. Det første vi målte på var vand, for at kalibrere polarimeteret. Vand drejer ikke lyset og skulle derfor være 0 grader. Derefter begyndte vi at måle på sukkeropløsningen. Vi lavede 6 fortyndinger (kan ses i tabel 1) og startede med den tyndeste fortynding for at undgå fejlkilder. Grunden til at man gør dette er, at hvis der så sidder noget af den tidligere fortynding, da man putter en ny i, vil det være en mindre koncentration og det vil i så fald ikke betyde så meget for måleresultaterne.

Vi aflæste så vinklerne på polarimeteret og skrev det ned [12].

Da vi havde målt alle seks fortyndinger, målte vi på de to carvon opløsninger.

12

Ses i bilag 2

Side 19

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

19

Tabel 1: Koncentrationer

Fortyndinger: Fortyndet: Koncentration:

1 | 100 gange

0.005_{𝑚𝑙}^{𝑔}

2 | 50 gange

0.01_{𝑚𝑙}^{𝑔}

3 | 40 gange

0.0125_{𝑚𝑙}^{𝑔}

4 | 30 gange

0.0167_{𝑚𝑙}^{𝑔}

5 | 15 gange

0.033_{𝑚𝑙}^{𝑔}

6 | 0 gange

1_{𝑚𝑙}^{𝑔}

Bilag 2

Resultater af sukkeropløsning og hyldeblomstsaft

Tabel 2: sukkeropløsninger

Vinkel i grader Koncentration i gram pr. milliliter

0,35 | 0,005
0,8 | 0,01
1,2 | 0,0125
1,5 | 0,0167
3,1 | 0,033
61,4 | 1

Vi målte hyldeblomstsaftens 𝛼-værdi. Hyldeblomstsaften drejede polariseringsretningen med 165 grader.

Side 20

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

20

Carvon-forsøget

Tabel 3: Carvon koncentrationer

R/S-form Koncentration

(R)-carvon 5ml i 50ml ethanol

(S)-carvon 2 ml i 50 ml ethanol

Da der ikke er samme koncentration af carvin i de to opløsninger, ganger vi (S)-carvon’s 𝛼 værdi med

2,5. Den målte 𝛼-værdi er 2,05^{o}, den udregnede ses i tabellen nedenfor.

Tabel 4: Carvon resultater 𝛼

(R)-carvon 174,75^{o}

(S)-carvon 5,12

Standardkurve

Graf 1

Side 21

[navn fjernet], 2.x 15/02 2013

Aalborg Katedralskole SRO i fysik og kemi

21

Her kan vi se koncentrationen som funktion af vinklen. Grunden til dette er, at vi så kan udregne koncentrationen af sukkerindholdet i hyldeblomstsaften.

Graf 2

Her kan vi se koncentrationen for 𝛼-værdien ca. 165^{o} i den lille firkantede boks i hjørnet.