Gli studenti, con la supervisione del docente, possono realizzare un polarimetro a partire da materiali facilmente reperibili, a basso costo o riciclati. Lo strumento, una volta costruito e tarato, può essere utilizzato per osservazioni di tipo qualitativo e quantitativo sull’attività ottica di vari campioni di materiali solidi, nonché per indagare le variabili che influenzano il potere rotatorio delle soluzioni di composti otticamente attivi (vedere gli esperimenti 42-Scienze "Attività ottica di soluzioni zuccherine" e 44-Scienze "Dissimmetrie molecolari: taratura del polarimetro") e analizzare cinetiche di reazioni con composti otticamente attivi (esperimento 45-Scienze "Dissimmetrie molecolari: cinetica dell'idrolisi del saccarosio").
Scheda sintetica delle attività
L'attività è strutturata in due parti:
progettazione e costruzione del polarimetro;
impiego dello strumento per l’osservazione di fenomeni riconducibili ad attività ottica in vari campioni solidi come sezioni di minerali ( es. lamine di mica) materiali plastici trasparenti, vetro, oppure in soluzioni concentrate di saccarosio, fruttosio e glucosio.
Risorse necessarie
Scatola di legno di dimensioni adatte ( vanno bene quelle delle confezioni regalo di vino, specialmente se magnum, alte 40 cm o più);
2 filtri polarizzanti (si possono ricavare dagli occhiali che si usano al cinema per vedere i film in 3D o da un paio di vecchi occhiali da sole con lenti polaroid);
foglio di compensato da 4mm di spessore;
profili ad U in PVC;
goniometro (si può realizzare anche stampandolo su carta, incollandolo ad un supporto come un disco di plastica, o un CD);
puntine da disegno;
matita e righello;
colla, meglio se a caldo;
trapano con punta da legno da 14mm e con fresa da 4 cm di diametro (reperibili entrambi in un normale negozio di ferramenta); al posto di quest’ultima si può usare un seghetto da traforo;
spillo;
un pezzo di materiale malleabile, tipo “pongo”;
2 bulloni con diametro del foro interno pari a quello del puntatore laser (facoltativi);
puntatore laser rosso a 650 nm, meglio se del tipo adatto ad osservazioni astronomiche (acquistabile su internet);
cilindro di vetro da 50 o da 100 mL;
strisce di carta;
nastro adesivo trasparente;
metro a nastro tipo Stanley;
soluzioni di saccarosio e di fruttosio concentrate (minimo 0,5g/mL).
Prerequisiti necessari
Essere in grado di progettare un dispositivo, pianificandone la costruzione a partire da uno schema teorico;
saper utilizzare in sicurezza apparecchiature come trapani, pistole per colla a caldo, seghetti da traforo;
avere una discreta abilità manuale ed essere precisi nella varie fasi della lavorazione;
conoscere i concetti di base relativi alla natura della luce ed al fenomeno della polarizzazione (Fisica);
saper riconoscere nelle molecole la presenza di atomi di carbonio asimmetrici e riferire a questi il fenomeno dell’isomeria ottica.
Obiettivi di apprendimento
Comprendere i principi alla base della costruzione e del funzionamento di un polarimetro da laboratorio;
approfondire i concetti teorici relativi alle misure: precisione, accuratezza ed errori, applicandoli in pratica alla taratura e all’uso dello strumento;
valutare l’affidabilità dello strumento e individuare settori di applicabilità;
sviluppare curiosità e migliorare le capacità di indagine autonoma;
migliorare le capacità progettuali.
Dotazioni di sicurezza
Se, dopo la fase di progettazione, si decide di realizzare lo strumento in un laboratorio o officina scolastica sono necessari adeguati indumenti protettivi: camici robusti, guanti resistenti al taglio e occhiali. Il trapano e la pistola a caldo vanno utilizzati con la supervisione del docente.
Svolgimento
Prima iniziare l’attività di progettazione-costruzione, può essere utile un momento di sensibilizzazione della classe; i concetti teorici alla base della polarimetria possono infatti risultare molto astratti o comunque scollegati dall’esperienza quotidiana.
Gli studenti possono familiarizzare con questi concetti facendo alcune prove divertenti, a scuola o come lavoro per casa utilizzando gli occhiali 3D e lo schermo di un computer portatile ( esempi di queste attività sono riportati nelle note).
Progettazione e realizzazione del polarimetro
Partendo dall’osservazione dello schema teorico rappresentato in figura 1, si analizzano le parti che costituiscono l’apparecchiatura e si procurano i materiali per realizzarla.
Figura 1: schema di un polarimetro (preso da http://www.chimica-online.it/download/polarimetro.htm)
Si dovrà tener presente che al posto del tubo portacampioni si utilizzerà un cilindro graduato aperto, tenuto in posizione verticale ; questo implica una disposizione dall’alto verso il basso di tutte le parti dello strumento. Sulla base di questa analisi preliminare, ciascun gruppo di studenti potrebbe essere invitato ad elaborare un suo progetto costruttivo, specificando bene tutte le fasi del lavoro e suddividendo i compiti.
A titolo di esempio, vengono qui di seguito descritte le fasi di realizzazione di un’apparecchiatura che, alla prova dei fatti, ha dimostrato di funzionare bene.
Si ricavano i due filtri polarizzatore e analizzatore smontando un paio di occhiali 3D o polaroid. Si verifica la posizione in cui le due "lenti" danno estinzione della luce. Rispetto a come sono montate sugli occhiali, una delle due va ribaltata e ruotata di 90° rispetto all’altra. Questa è la posizione che dovranno avere una volta inserite nell’apparecchio.
Figura 2: i filtri ricavati da un paio di occhiali 3D
Si riportano su un foglio di compensato le sagome dei ripiani che verranno posizionati a varie altezze, a sostegno dei filtri e del cilindro di vetro (figura 3). Ciascun ripiano sarà dotato di un foro del diametro di 4 cm, o comunque di un’apertura anche di forma diversa ( es. quadrata) per il passaggio della luce. Tutti i ripiani dovranno avere i fori perfettamente corrispondenti, una volta montati.
Figura 3 disegno delle sagome su compensato
Si incollano con la colla a caldo, o si fissano con chiodini, dei pezzetti di profilo ad U, dopo aver misurato con cura le distanze alle quali posizionare i vari ripiani, tenendo conto anche dell’altezza del cilindro di vetro che si vuole utilizzare (figura 4). Il solco nelle pareti laterali della scatola può essere sfruttato per infilarvi il ripiano con l’analizzatore; immediatamente sopra, a circa 3 cm di distanza, si collocherà il ripiano per sostenere il cilindro graduato; in cima, sotto al “top” della scatola si posiziona il ripiano per il polarizzatore. Quest’ultimo potrebbe anche essere realizzato più semplicemente con del cartoncino rigido forato, da incollare sotto la superficie. Per comodità di montaggio e di utilizzo è però più semplice realizzare anche in questo caso un ripiano estraibile.
Figura 4: fissaggio dei profili di sostegno
Si montano i ripiani sui sostegni, verificando l’allineamento delle aperture per il passaggio della luce, quindi con il trapano si pratica un foro del diametro di 14 mm nella parte superiore, sempre centrandolo con cura rispetto ai fori sottostanti (figura 5).
Figura 5: montaggio dei sostegni e foratura superiore
Si passa quindi a realizzare il supporto girevole per l’analizzatore. Utilizzando un goniometro stampato su carta, lo si incolla sopra un supporto adatto, per esempio un CD; il filtro può a sua volta essere incollato sopra o sotto al CD (figura 6)
Figura 6: realizzazione del goniometro con carta e CD
Se si dispone di una scatola di legno larga a sufficienza, può essere più conveniente utilizzare un normale goniometro in plastica, forarlo o ritagliarlo nella parte centrale e incollarvi il filtro al centro.
In tutti e due i casi, il goniometro con il filtro analizzatore dovrà essere montato sull’apposito ripiano di sostegno; un certo numero di puntine da disegno fissate “ad arte” lungo il suo contorno, garantiranno che possa ruotare con facilità, senza oscillare o traballare (figura 7). Lo zero del goniometro deve essere orientato verso l’osservatore.
Figura 7: l'analizzatore
Per semplificare la costruzione, l’analizzatore girevole potrebbe essere montato sullo stesso ripiano che sostiene il cilindro graduato, fissandolo dalla parte inferiore. In questo caso bisognerà praticare una “finestrella” per consentire la lettura degli angoli.
Infine si incolla il filtro polarizzatore al centro del ripiano più alto, ricordando che polarizzatore e analizzatore vanno disposti a 90° per ottenere la condizione di estinzione della luce. Per non sbagliare è meglio fare delle prove tenendo acceso il puntatore laser e verificando empiricamente la posizione del polarizzatore a cui corrisponde l’estinzione, quando cioè il raggio attraversa il primo filtro ma non riesce a superare il secondo: in questo caso non si osserverà nessun punto luminoso alla base dello strumento .
Si fissa quindi l’indice, costituito da uno spillo montato su un pezzetto di “pongo”, in modo da poterlo facilmente riposizionare in fase di taratura dello strumento (figura 8).
Figura 8: spillo che costituisce l'indice dello strumento
Infine si realizza il supporto per il puntatore laser. Una possibile soluzione consiste nel fissare con dell’adesivo una coppia di bulloni centrandoli rispetto al foro di ingresso della luce e di incastrarvi il puntatore laser, fissandolo con del “pongo” o altro materiale adesivo malleabile (figura 9). Anche così c’è una certa libertà di oscillazione, comunque ridotta al minimo. Con altri tipi di sostegno è più difficile realizzare e mantenere una posizione perfettamente verticale del puntatore, mentre questa soluzione richiede solo un po’ di accortezza nell’operatore che lo tiene acceso.
Figura 9: bulloni per sostenere il puntatore laser
Figura 10 mostra l’apparecchio in funzione, con all'interno un cilindro di vetro vuoto. La misura degli angoli di rotazione viene fatta possibilmente da seduti, ruotando il goniometro e osservando contemporaneamente la variazione dell’intensità del punto luminoso, finché esso non scompare del tutto. Le misure vanno eseguite preferibilmente in condizioni di penombra, o comunque di scarsa luminosità.
Figura 10: polarimetro in funzione e particolare con laser acceso e filtri non in estinzione.
Il cilindro di vetro utilizzato come tubo polarimetrico potrà essere graduato incollando con lo scotch delle sottili strisce di carta in corrispondenza di uno o più livelli prefissati, misuranti dall’interno con un metro flessibile tipo “Stanley”. Indicativamente, un cammino ottico di 1,5 dm è più che adeguato per ottenere buone misure. Se si lavora con soluzioni abbastanza diluite, sarà opportuno aumentare il valore a 2,0 o più dm, in base anche all’altezza del cilindro che si utilizza.
Uso dello strumento, taratura e valutazione degli errori di misura.
Si posiziona sul supporto il cilindro di vetro riempito di acqua fino al livello prefissato. Tenendo acceso il laser, si ruota l’analizzatore fino alla scomparsa del punto luminoso proiettato alla base dello strumento. In questa posizione, l’indice (spillo) deve puntare allo zero del goniometro (figura 11). Se così non fosse, si deve riposizionare correttamente lo spillo. Si ripete l’operazione con il cilindro riempito di soluzione zuccherina a pari livello e si noterà la ricomparsa del punto luminoso: la soluzione ha “ruotato” il piano della luce polarizzata. Si cerca quindi la nuova posizione di estinzione ruotando l’analizzatore nel verso che determina una diminuzione dell’intensità del punto luminoso. Si potrà notare come il nostro occhio apprezzi l’estinzione all’interno di un intervallo di ampiezza circa 2°. La tecnica corretta di misura prevede che si colga il punto medio all’interno di questo intervallo. Talvolta, quando i puntatori laser sono al massimo della carica, una certa quantità di luce riesce ancora filtrare: l’importante sarà comunque individuare il valore minimo di luminosità.
Figura 11: i due filtri a 90° non lasciano passare il raggio laser
L’errore di misura si può quantificare, in condizioni ottimali, intorno a ± 1° . A confronto, in un polarimetro da laboratorio, l’errore di misura è pari a 0,05° . Le misure con lo strumento artigianale possono dare buoni risultati solo per soluzioni a concentrazione abbastanza elevata, in genere superiore a 0,1g/mL .
Da che parte ruotare?
Nelle misure di attività ottica con le soluzioni, bisogna determinare il verso corretto di rotazione del goniometro. Infatti l’ estinzione della luce si verifica per entrambi i versi di rotazione, orario e antiorario, ovviamente con valori differenti di lettura.
Per convenzione, si considera che l’osservatore stia guardando in direzione della sorgente luminosa; se vede che il piano della luce polarizzata è ruotato in senso orario, la soluzione sarà destrogira (+) , sarà invece levogira (-) se il piano è ruotato in senso antiorario.
Utilizzando questo tipo di polarimetro, il nostro punto di vista è opposto rispetto a quello convenzionale: per effettuare correttamente le misure, si dovrà ruotare il goniometro nel verso che comporta una diminuzione dell’intensità luminosa, fino a trovare la nuova condizione di estinzione, leggendo quindi il valore dell’angolo. La soluzione sarà destrogira (+) se nel fare questo avremo ruotato il goniometro in senso antiorario, guardandolo da sopra.
Osservazioni qualitative e quantitative.
Con lo strumento posto in estinzione si possono fare osservazioni preliminari qualitative su diversi campioni di materiali; in questo caso lo strumento viene utilizzato come polariscopio. Iniziando dai solidi trasparenti, si potranno fare osservazioni comparative fra il vetro e campioni di minerali trasparenti come la mica (muscovite) o il gesso (selenite) tagliati in lamine sottili, o campioni di comuni materiali plastici, rilevando come gli stati della materia che presentano una qualche forma di ordine interno nella disposizione delle molecole o che presentano particolari reticoli cristallini, possano interagire con la luce polarizzata. Questo non succede con il vetro che è un materiale isotropo e non cristallino. Nei campioni dotati di attività ottica si noterà la ricomparsa del punto luminoso, che potrebbe non scomparire anche ruotando l’analizzatore di 360°. Utilizzando, al posto del laser, una sorgente di luce bianca si potrà notare invece che questa, dopo aver attraversato i campioni, assume una tenue colorazione che varia tonalità con la rotazione dell’analizzatore, dimostrando un assorbimento selettivo di talune lunghezze d’onda.
Questo tipo di attività può condurre ad interessanti collegamenti con la Mineralogia (studio delle sezioni sottili in luce polarizzata), l’Ottica e la Scienza dei materiali (proprietà dei polimeri, cristalli liquidi) .
Utilizzando i filtri polarizzanti a corredo di un comune microscopio ottico si possono anche fare osservazioni di vari preparati biologici, che manifesteranno spettacolari colori di interferenza ( granuli di amido, capelli ecc…)
Le modalità di costruzione dello strumento lo rendono particolarmente adatto a misurare il potere rotatorio di liquidi e di soluzioni. Si può confrontare il comportamento di soluzioni diverse, che manifestano o meno attività ottica, mettendola in relazione con la struttura chimica delle molecole disciolte.
Per quanto riguarda la descrizione di esperienze e misure quantitative sull’attività ottica di soluzioni, si rimanda all’esperimento 42-Scienze "Attività ottica di soluzioni zuccherine".
Un interessante sviluppo successivo a queste prime attività, può essere l’indagine sulle variabili che influenzano l’angolo di rotazione osservato per una soluzione di un determinato composto.
Mantenendo invariate la temperatura e la lunghezza d’onda della radiazione, si può studiare la relazione fra potere rotatorio della soluzione, lunghezza del cammino ottico (spessore di soluzione attraversata dal raggio luminoso) e concentrazione. L’analisi e la discussione dei dati può condurre gli studenti a formulare in modo autonomo la legge di Biot (si rimanda all'esperimento 44-Scienze "Dissimmetrie molecolari: taratura del polarimetro").
Figura 12: relazione fra potere rotatorio della soluzione, lunghezza del cammino ottico e concentrazione.
Se sono disponibili laser di colore verde o viola sarà interessante misurare gli angoli di rotazione della luce polarizzata per la stessa soluzione, a lunghezze d’onda diverse. Si potrà notare come i valori aumentino decisamente, anche se in modo non lineare passando dal rosso al verde, quindi al viola. A titolo di esempio, si riportano i dai ottenuti con tre tipi di laser diversi, analizzando soluzioni di glucosio a valori diversi di concentrazione (i valori alla riga D del sodio, riportati in colore giallo, sono calcolati).
Figura 13: valori di potere rotatorio per soluzioni di glucosio, misurate utilizzando sorgenti laser a diversa lunghezza d'onda, a confronto con i valori previsti teoricamente, per le stesse soluzioni, alla lunghezza d'onda della riga D del sodio.
I dati ottenuti dimostrano come in ogni caso si mantenga una relazione di proporzionalità diretta, nei limiti dell’errore sperimentale, fra concentrazione ed angolo di rotazione, per ogni specifica lunghezza d’onda utilizzata.
Note e storia
Nota 1. Per motivare gli studenti ad affrontare lo studio dei fenomeni di polarizzazione, si possono proporre alcune semplici attività. Dopo la fase di meraviglia iniziale, si cercherà di dare spiegazione dei fenomeni osservati, formulando ipotesi e cercando informazioni sul web.
Per esempio:
indossare un paio di occhiali 3D e osservare, con un occhio chiuso ed uno aperto alternati, lo schermo di un televisore e/o lo schermo di un computer. Tenendo entrambi gli occhi aperti, osservare uno degli schermi piegando la testa di lato a 90° alternativamente a destra e a sinistra.
smontare gli occhiali 3D recuperando le due pellicole e, tenendone una in ciascuna mano, osservare la luce che proviene da una finestra illuminata. Ruotare lentamente uno dei due filtri, mantenendo l’altro in posizione fissa.
osservare i colori che assumono dei pezzettini di scotch o un righello di plastica trasparente quando vengono osservati contro lo schermo illuminato di un computer attraverso un filtro degli occhiali 3D, ruotando lentamente quest’ultimo.
Figura 14: colori complementari osservati durante la rotazione del filtro
osservare contro lo schermo luminoso di un computer un oggetto di vetro e un recipiente di plastica trasparenti e mettere a confronto le due immagini;
Figura 15: vetro e plastica a confronto
osservare come un pezzetto di scotch trasparente, visto sempre contro lo schermo illuminato, cambia colore se viene esercitata una forte trazione alle sue estremità; ripetere le prove controluce rispetto ad una normale finestra illuminata e annotare le differenze.
Da queste prime indagini e grazie ad una successiva discussione dovrebbero emergere alcuni concetti di base:
I filtri degli occhiali 3D sono in grado di polarizzare la luce. Usati in coppia, in una certa posizione reciproca, la estinguono completamente.
La luce che esce dagli schermi LCD è polarizzata.
Quando la luce bianca polarizzata attraversa un materiale adatto, alcune sue componenti vengono assorbite; osservando il campione attraverso un filtro polarizzante, vedremo dei colori cangianti (es, giallo e viola, colori complementari) se ruotiamo il filtro o il campione di 90°.
L’interazione con la luce polarizzata, nei materiali solidi trasparenti, è dovuta ad una qualche forma di ordine interno : presenza di un reticolo cristallino dotato di certe proprietà, modalità di formazione e stampaggio nei materiali plastici, stress meccanici subiti durante l’uso . Il vetro, che è un solido amorfo, isotropo e non cristallino, non interagisce ed è quindi il materiale di elezione per i tubi polarimetrici.
Nota 2. L'interazione fra la luce polarizzata ed alcuni cristalli anisotropi (es. la calcite) non va confusa con il fenomeno che si verifica nelle soluzioni di composti otticamente attivi .
Alcuni cristalli, come ad es. il nitrato di sodio, interagiscono con la luce polarizzata quando sono allo stato solido, ma non danno soluzioni otticamente attive una volta disciolti in soluzione.
Nei cristalli isotropi, come ad esempio il salgemma, gli assi cristallografici sono equivalenti e interagiscono allo stesso modo con la luce che li attraversa, indipendentemente dall'orientamento del reticolo cristallino rispetto alla luce incidente. La luce viene rifratta di un angolo costante e attraversa il cristallo con la stessa velocità in tutte le direzioni, senza essere polarizzata dalle interazioni con i componenti elettronici del reticolo cristallino. I cristalli anisotropi hanno invece assi cristallografici distinti e l'interazione dipende dall'orientamento del cristallo rispetto alla luce incidente. In alcune direzioni, la luce è rifratta in due raggi con diversa velocità di propagazione, ciascuno dei quali è polarizzato. Il fenomeno è chiamato "birifrangenza" . Campioni trasparenti di questo tipo di materiali, osservati nel polariscopio, mostreranno un comportamento molto diverso rispetto al vetro o ai cristalli isotropici di salgemma.
Il potere ottico rotatorio presentato dalle soluzioni di composti dotati di centri chirali (tipicamente, atomi di carbonio asimmetrici, legati in modo covalente a quattro atomi , o gruppi , diversi ) dipende dalla somma delle interazioni fra i fotoni e le singole molecole incontrate lungo il cammino ottico e non, come nei solidi, dalla particolare disposizione delle unità ripetitive che costituiscono il cristallo.
