TP de Physique 1 ème année Agriculture et Alimentation Santé

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1 TP N 7 POLARIMETRE LAURENT Page 1 sur 15

2 POLARISATION I. Généralités La lumière est une onde qui vibre transversalement par rapport à la direction de propagation, dans tous les plans de l espace. En d autres termes, la lumière se propage en trains d ondes discontinus ( quelques trains d onde par seconde ) la direction du plan de vibration de chaque train d onde étant uniquement due au hasard. Schématiquement, on peut ainsi représenter la lumière naturelle. Direction de propagation 1 er train d onde 2 ème train d onde.. Représentation vectorielle Comme le changement de train d onde est très rapide, l œil ne peut évidemment observer les discontinuités ; il ne voit que l ensemble : la vibration de la lumière naturelle est isotrope. Par contre, la lumière polarisée n est plus isotrope. On obtient de la lumière polarisée en faisant passer la lumière naturelle à travers certains cristaux ( comme le Spath d Islande ) ou des matières synthétiques ( comme les polaroïds ). Nous ne verrons que la lumière polarisée rectilignement. La lumière polarisée rectilignement ne vibre que dans une seule direction. Cela veut dire que les corps qui produisent une lumière polarisée possèdent un axe privilégié : la lumière polarisée vibre uniquement suivant cette direction. Page 2 sur 15

3 Lumière polarisée Lumière naturelle Polariseur ( axe privilégié indiqué ) Comment peut-on reconnaître qu une lumière est polarisée? L œil ou tout appareil enregistreur ordinaire ( cellule, capteur CCD ) ne voit aucune différence entre la lumière naturelle et la lumière polarisée. En fait, certains trains d onde ont été absorbés par le polariseur et ne passent pas à travers le cristal ; mais comme les «trous noirs» sont très courts, l œil n a pas le temps de les voir à cause de la persistance rétinienne. Pour voir si une lumière est polarisée, on se sert d un deuxième polariseur qu on appelle alors «analyseur». On le fait tourner en prenant comme axe le rayon lumineux. Si la lumière est polarisée, on a deux positions où le rayon transmis a une intensité maximale, deux avec une intensité minimale ; il peut même y avoir extinction. La représentation vectorielle permet de voir ce qui se passe ( on ne dit rien sur la cause de la polarisation ). Intensité Intensité I 0 I 0 (tout passe) Polariseur Analyseur polariseur et analyseur parallèles Page 3 sur 15

4 I 0 Extinction Polariseur Analyseur polariseur et analyseur perpendiculaires (croisés) Il y aura extinction si la polarisation est complète. Souvent, en effet, il n y a qu une partie de la lumière qui est polarisée. La représentation «de face» donne ce qui suit : ( Pour la commodité, on ne prend qu un train d onde, car le raisonnement est le même pour tous). A. Polarisation OP : axe polariseur OM : lumière incidente naturelle (direction quelconque ) ON : lumière transmise N est transmise que la composante suivant l axe du polariseur. P N O M B. Analyse d une lumière polarisée OP : axe polariseur A P OA : axe analyseur OT : lumière transmise Cette fois la lumière incidente N a qu une direction T O N Page 4 sur 15

5 OT = ON. cos angle polariseur-analyseur C. Polariseur et analyseur parallèles A P T N O La lumière est transmise intégralement OT = ON. cos D. Polariseur et analyseur croisés A L analyseur est solidaire d un tambour gradué : on connaît donc exactement sa position donc la direction de la lumière polarisée. II. Pouvoir rotatoire O N P OT = ON. cos = 0 Extinction Prenons le dernier cas où polariseur et analyseur sont croisés : il y a extinction. Sur le trajet des rayons lumineux, mettons entre les deux polariseurs soit un solide comme un cristal de quartz soit un liquide comme une solution de sucre. Il n y a plus extinction. Pour l obtenir, il faut de nouveau faire tourner l analyseur d un certain angle. Cela veut dire que le quartz ou la solution de sucre ont fait tourner le plan de polarisation de la lumière transmise par le polariseur ; l angle de rotation est égal à l angle dont il a fallu faire tourner l analyseur. Schématiquement, on a : Page 5 sur 15

6 P A Polariseur et analyseur croisés = extinction En représentation de face, dans l ordre cela donne : Page 6 sur 15

7 P N ON : lumière transmise par le polariseur O A Extinction P X N N O T A ON : nouvelle position du plan de polarisation après passage dans le liquide ON : angle de rotation OT : lumière transmise par l analyseur P X N O N A A OA : nouvelle position de l analyseur pour qu il y ait extinction. C est qui est mesuré. On connaît ainsi l angle dont a tourné le plan de polarisation. Remarque : On fait toujours les mesures au minimum de lumière. On pourrait aussi faire les mesures au maximum de lumière mais on serait alors complètement ébloui et les mesures ne seraient pas assez précises. Une substance qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière est appelée une substance «optiquement active». Si, quand on regarde de face, le plan tourne dans le sens direct ( trigonométrique), la substance est dite «lévogyre», dans le sens contraire, «dextrogyre». Page 7 sur 15

8 Lévogyre Dextrogyre Dans l exemple choisi plus haut, la substance est dextrogyre. MUTAROTATION DU GLUCOSE Il existe deux sortes de glucose, l -glucose et le -glucose. La différence vient uniquement de la stéréochimie d un carbone : ceci entraîne des pouvoirs rotatoires spécifiques différents. 25 Pour l -glucose : [ ] = 113.dm -1.g -1.cm 3 D Pour le -glucose: 25 [ ] D = 19.dm -1.g -1.cm 3 Avec : [ ] : pouvoir rotatoire spécifique 25 : la température en C D : pouvoir mesuré avec la raie D ( raie jaune ) du Na. Le pouvoir rotatoire spécifique est ainsi défini : si est l angle de rotation du plan de polarisation produit par une substance optiquement active, d après la loi de Biot : = [ ]. l. c c : concentration de la solution en g.cm -3 l : épaisseur en dm de la solution traversée par la lumière Toutes les substances optiquement actives ont un pouvoir rotatoire spécifique caractéristique de la substance. C est ainsi qu on peut distinguer les glucoses l un de l autre ou plutôt quelle est la proportion de chacun dans le glucose commercial.. Le pouvoir rotatoire spécifique dépend : - de la température - de la longueur d onde de la lumière incidente et pour certains corps, il dépend de plus : - de la concentration de la solution ( acide malique ) - du temps ( mutarotation ) - du solvant ( spécialement s il est polaire ) exemple : ester diméthylique de l acide tartrique [ ] = 1,7.dm -1.g -1.cm 3 avec le benzène ( solvant non polaire ) [ ] = - 6,2.dm -1.g -1.cm 3 avec le chloroforme ( solvant polaire ) Page 8 sur 15

9 En solution, il y a équilibre entre les formes et ; le -glucose plus stable est prédominant quand cet équilibre est atteint, équilibre qui comporte 63% de forme et 37% de forme. Le glucose commercial qu on va étudier est un mélange stable (parce que solide) des deux formes dans des proportions différentes de celles de l équilibre : la forme dépasse 50% du mélange. Une solution fraîchement préparée a un pouvoir rotatoire global. Etant en solution, la tautomérie intervient de façon à tendre vers les proportions de l équilibre. Une fois l équilibre atteint, le pouvoir rotatoire global est f. Pour suivre la cinématique de cette réaction, on suit au polarimètre la variation de depuis i jusqu à f. Cette variation du pouvoir rotatoire en fonction du temps est appelée «mutarotation du glucose». PRINCIPE DE LA MESURE DU POUVOIR ROTATOIRE I. Appareillage Le polarimètre Laurent sert à repérer la position du plan de polarisation d une lumière polarisée et à suivre éventuellement sa rotation. Page 9 sur 15

10 Avec un tel appareil, l observateur a seulement à comparer l éclairement de deux plages faiblement éclairées (polarimètre à pénombre). Le polariseur (10) et l analyseur (3) sont deux cristaux taillés d une façon particulière, suivant un dispositif indiqué en 1878 par Nicol. On les appelle pour cette raison des «nicols». Ce sont des cristaux de spath d Islande, à double séparation, chacun des rayons étant complètement polarisés : leur taille permet d éliminer un des rayons. II. Réglage du viseur Page 10 sur 15

11 Regarder à travers l oculaire du télescope sans insérer aucun tube d observation dans le corps de l instrument. On voit alors une ligne qui sépare le champ visuel en deux plages, droite et gauche. Le dispositif tubulaire de réglage de la lentille permet d ajuster le viseur en tirant ou en poussant l oculaire (1). III. Réglage de l instrument Desserrer la vis de fixation (9) et tourner le disque de l échelle à Vernier (3) jusqu à la position 0. Regarder à travers l oculaire. Les plages droite et gauche du champ visuel devraient présenter la même clarté ( équipénombre ). Si tel n est pas le cas, il convient d effectuer le réglage ensuivant les indications ci-dessous. a) Serrer la vis de fixation (9) et desserrer légèrement la vis de réglage précis pour obtenir l égalité d éclairement des deux plages, droite et gauche, du champ visuel. La graduation se trouve alors décalée du zéro. Répéter trois fois la même opération pour obtenir la :moyenne entre les valeurs de droite et de gauche. b) Garder en mémoire la valeur de décalage par rapport à la position zéro, puis additionner ou soustraire cette valeur de celle obtenue en mesurant l échantillon, la question de savoir s il faut procéder à une addition ou à une Page 11 sur 15

12 soustraction étant fonction du degré d angle de polarisation de l échantillon mesuré. c) La différence de clarté entre les deux plages droite et gauche du champ visuel peut être due à la faiblesse de la source de lumière. Il est possible également que celle-ci éclaire en direction de l observateur. Dans les deux cas, il convient de régler aussi la source de lumière. Remarque : Il faut éviter toute fatigue à l œil pour qu il conserve une faculté d appréciation intacte. Eviter de fixer une plage brillante. IV. Tubes d observation - Remplissage Les liquides actifs (limpides, incolores ou peu colorés) sont introduits dans des tubes d observation spéciaux. Ce sont des cylindres en verre épais dont les extrémités ont été dressées de telle façon qu elles constituent des surfaces planes exactement perpendiculaires à l axe du cylindre, et donc parallèles entre elles. Une enveloppe métallique protège le tube de verre et le maintiendra sur la règle en U du polarimètre de façon que son axe coïncide avec l axe optique de l appareil. La fermeture du tube est réalisée par deux glaces à faces parallèles qui doivent être nettoyées et séchées. V. Mesures et résultats Desserrer la vis de fixation (9). En regardant à travers l oculaire, tourner le disque(3) jusqu à ce que les plages droite et gauche du champ visuel présentent la même clarté. Serrer la vis de fixation (9) puis terminer par un réglage précis à l aide la vis correspondante (8), la valeur ainsi obtenue étant le degré d angle de polarisation de l échantillon. Lorsque la mesure est prise, en tournant le disque (3) dans le sens des aiguilles d une montre, la solution est appelée substance dextrogyre et dans le cas contraire lévogyre. Si l échantillon contient à la fois des substances dextrogyres et lévogyres, le degré d angle de polarisation est obtenu par la somme algébrique des deux valeurs. Ce phénomène pouvant être Page 12 sur 15

13 le signe d une présence d impuretés, il convient d éliminer celles-ci avant de procéder à une nouvelle mesure. TP : Le TP consistera à calculer le pouvoir rotatoire spécifique d un corps et à étudier sa mutarotation. a) On préparera une solution à 10% en masse de glucose (10g pour 100mL) - peser 5g de glucose (utiliser un bécher) - verser 25 ml d eau désionisée dans le bécher pour dissoudre le glucose et déclencher le chronomètre. - Lorsque le glucose est bien dissous ( éviter les émulsions ), verser la solution dans la fiole jaugée de 50 ml. Bien nettoyer le bécher. Compléter avec de l eau desionisée jusqu au trait de jauge. b) On remplira le tube blanc noté «glucose» avec précaution en vérifiant l étanchéité des joints. c) On recommencera les étapes a) et b) avec le fructose et en remplissant le tube blanc noté «fructose». d) On alternera l étude du glucose et du fructose pour gagner du temps. On mesurer a en fonction du temps toutes les cinq minutes pendant la première heure puis toutes les dix minutes. e) On tracera les deux courbes [ ] glucose et [ ] fructose sur le même graphe. f) De [ ] glucose final on déduira la composition à l équilibre de la solution de glucose. Page 13 sur 15

14 NOMS : Groupe : Compte rendu du TP 7 : Polarimètre Laurent Note Appréciation 1 ) Remplir le tableau : t (min) unités glucose [ ] glucose.dm -1.g -1.cm 3 fructose [ ] fructose.dm -1.g -1.cm 3 t (min) unités glucose [ ] glucose.dm -1.g -1.cm 3 fructose [ ] fructose.dm -1.g -1.cm 3 2 ) Tracer [ ] glucose et [ ] fructose en fonction de t. 3 ) Si on appelle x le pourcentage de -glucose, que sera le pourcentage de -glucose dans le mélange? En déduire que : [ ] glucosefinal [ ] glucose x = [ ] glucose [ ] glucose Page 14 sur 15

15 4 ) Calculer x et conclure. Page 15 sur 15