Optisch aktive Stoffe

Nachweisen kann man die optische Aktivität mit einer Versuchsanordnung, wie sie in Bild 1 skizziert ist. Licht eine Lichtquelle fällt durch eine Blende auf einen Polarisator. Das ist ein Polarisationsfilter, der eine lineare Polarisierung des Lichtes bewirkt. Dieses linear polarisierte Licht tritt in den betreffenden Stoff (z.B. Zuckerlösung) ein, durchläuft diesen Stoff und trifft dann auf einen zweiten Polarisationsfilter, den Analysator. Polarisator und Analysator sind gekreuzt. Das bedeutet: Ist der optisch aktive Stoff nicht im Lichtweg, so tritt kein Licht durch den Analysator. Befindet sich dagegen der optisch aktive Stoff im Lichtweg, so ist bei gleicher Stellung der beiden Polarisationsfilter eine Aufhellung zu beobachten. Die Polarisationsebene ist also durch den Stoff gedreht worden. Durch Drehung am Analysator kann man wieder Dunkelheit erreichen. Der Winkel, um den der Analysator bis zu diesem Zustand gedreht werden muss, ist dann gleich dem Drehwinkel der Schwingungsebene, der beim Durchgang durch die Lösung erfolgte.

Der Drehwinkel ist von dem betreffenden Stoff, von der Länge des Lichtweges durch diesen Stoff und von der Konzentration abhängig. Für den Drehwinkel gilt:

$\begin{array}{l}\alpha ={\alpha }_{\text{s}}\cdot c\cdot l\\ {\alpha }_{\text{s}}\text{spezifische Drehung}\\ c\text{Konzentration des Stoffes}\\ l\text{Länge des Lichtweges im Stoff}\end{array}$

Die Konzentration ergibt sich aus der Anzahl Gramm des festen Stoffes in $100{\text{cm}}^{\text{3}}$ Lösung. Die spezifische Drehung ist eine Stoffkonstante, die sich in der Regel auf eine Temperatur von 20 °C und eine Wellenlänge von 589 nm (gelbe Natriumlinien) bezieht. Für sie gelten folgende Werte:

$\begin{array}{l}\text{Rohrzucker}+\mathrm{66,44}\frac{°\cdot {\text{cm}}^2}{\text{g}}\\ \text{Traubenzucker}+\text{52}\text{,5}\frac{°\cdot {\text{cm}}^2}{\text{g}}\\ \text{Fruchtzucker}-\mathrm{91,9}\frac{°\cdot {\text{cm}}^2}{\text{g}}\end{array}$

Kennt man die Länge der Küvette und die spezifische Drehung, so kann man durch Messung des Drehwinkels die Konzentration bestimmen. Das ist eine der einfachsten Möglichkeiten der Konzentrationsmessung und wird daher vielfach genutzt.

Die Vorzeichen sind Kürzel für das, was in der Physik als rechtsdrehend (+) bzw. linksdrehend (-) bezeichnet wird. Rohrzucker ist also rechtsdrehend, Fruchtzucker dagegen linksdrehend. Die Bezeichnungen beziehen sich auf die Blickrichtung entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes, also durch den Analysator in Richtung Lichtquelle. Interessant ist dabei, dass es trotz völlig identischer chemischer Zusammensetzung linksdrehende und rechtsdrehende Milchsäuren gibt. Der menschliche Organismus erzeugt nur rechtsdrehende Milchsäuren. Bakterien, mit denen beispielsweise Joghurt hergestellt wird, produzieren je nach der Art des Bakteriums links- oder rechtsdrehende Milchsäuren. In der Werbung wird dann die Tatsache genutzt, dass rechtsdrehende Milchsäuren leichter verdaulich sind als linksdrehende. Ob die Richtung der Drehung mit Blick auf die Verdauung aber positiv oder negativ zu bewerten ist, scheint eine weitgehend ungeklärte Frage zu sein.