Untersuchung des Drehwinkels optisch aktiver Stoffe

Anna Maria Biedermann, 16 Jahre, 11. Klasse Gymn. (2000)

Die Idee

Anknüpfend an ihre Arbeit vom letzten Jahr hat Anna den bei bestimmten Lösungen auftretenden Drehwinkel bestimmt, um den polarisiertes Licht gedreht wird, wenn es die Flüssigkeit durchstrahlt.

Kurzfassung

Im letzten Jahr habe ich mich - durch ein Foto angeregt - in meinem Projekt mit mit dem Wachstum von Zuckerkristallen und ihrer Farbverteilung unter polarisiertem Licht beschäftigt. Damals habe ich festgestellt, dass Zuckerkristalle optisch aktiv sind, dass heißt: sie drehen eingestrahltes, polarisiertes Licht um einen bestimmten Winkel. Und diesen Drehwinkel wollte ich bei verschiedenen Stoffen nun genauer untersuchen.
Die bei optisch aktiven Stoffen auftretende Rotationsdisperison ist für die Farberscheinungen verantwortlich, die bei Beleuchtung mit weißem polarisiertem Licht auftreten. Der Begriff "Rotationsdispersion" bedeutet hierbei, dass Licht unterschiedlicher Farbe (Wellenlänge) verschieden stark in seiner Schwingungsebene gedreht wird. Um den Drehwinkel eines Stoffes zu bestimmen, ist es daher notwendig, monochromatisches (einfarbiges) Licht zu verwenden, damit ein Vergleich verschiedener Stoffe möglich und sinnvoll ist. Als monochromatische Lichtquelle kommen dabei grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten in Betracht: aus weißem Licht filtert man durch geeignete Anordnungen (Filter, Prisma oder Gitter) eine bestimmte Farbe heraus, oder man verwendet eine Lichtquelle, die von vornherein einfarbiges Licht emittiert. Dazu käme z.B. eine Natrium-Dampflampe (gelb) oder ein Laser (z.B. rot) in Frage. Da unserer Jugend-forscht-AG ein hochwertiger Laser von der Firma Rheinmetall geschenkt worden war, habe ich mich für diesen entschieden.
Drehung von polarisiertem Licht
Der französische Physiker Jean-Baptiste. Biot (1774 - 1862) entdeckte 1815, dass zahlreiche natürlich vorkommende organische Verbindungen die Schwingungsebene eines einfallenden linear polarisierten Lichtstrahls um einen gewissen Betrag drehen. J.H. van't Hoff und J.A. LeBel kommt das Verdienst zu, beide unabhängig voneinander die räumliche Anordnung der Atome in den Molekülen als Ursache für die optische Aktivität erkannt und beschrieben zu haben.
Eine weit verbreitete Anwendung optisch aktiver Substanzen findet sich in den sogenannten LCD-Anzeigen (Liquid-Crystal-Display) z.B. von Taschenrechnern oder Uhren. Aber auch bestimmte Kristallformen (z.B. Zucker oder Quarz) weisen optische Aktivität auf.
Auch Lösungen optisch aktiver Kristalle, Flüssigkeiten und Gase können eine optische Aktivität aufweisen. In meiner Arbeit beschränke ich mich auf Kristalle und ihre wässrigen Lösungen in verschiedenen Konzentrationen. Da einige Stoffe schwierig zu beschaffen sind, habe ich mich auf diejenigen beschränkt, die auch z.B. in unseren Lebensmitteln auftreten und deswegen in der Apotheke in reiner Form leicht zu beschaffen waren. Dabei zeigte die Fruktose in ihrer Lösung die größte optische Aktivität, während in kristalliner Form die Weinsäure den Spitzenreiter darstellte.