Вращательная способность тел

Вращательная способность тел была открыта в 1811 г. французским физиком Араго, который нашел, что при прохождении поляризованного луча через пластинку кварца, отшлифованную вертикально относительно ее оси, плоскость поляризации луча претерпевает вращение, т. е. луч остается поляризованным, но плоскость поляризации выходящего луча составляет некоторый угол α с плоскостью поляризации луча, входящая в кварцевую пластинку. Укажем здесь, в чем заключается разница между обыкновенным лучом и поляризованным (подробнее см. поляризация): в обыкновенном луче, например, доходящем до нас солнечном свете, частицы эфира, согласно волнообразной теории света, колеблются перпендикулярно к направлению луча, но во всех плоскостях, которые могут быть проведены через этот луч. Если мы представим себе, что световой луч падает перпендикулярно на поверхность бумаги, то место пересечения линии, определяющей его направление, с бумагой есть точка. Если теперь через эту точку мы проведем на бумаге ряд прямых в любых направлениях, то прямые эти будут представлять линии пересечения плоскостей, проведенных через световой луч, с плоскостью бумаги. В обыкновенном световом луче мы можем найти частицы эфира, колеблющиеся во всякой плоскости, и колебания, таким образом, будут происходить сверху вниз, справа налево, и т. д. во всех направлениях. В поляризованном же луче колебания частиц эфира совершаются только в одном направлении: одна только прямая будет изображать пересечение плоскости бумаги с той плоскостью, в которой совершаются колебания частиц эфира. Плоскость, перпендикулярная к колебаниям частиц эфира называется, по Френелю, плоскостью поляризации. После открытия Араго способности кварца вращать плоскость поляризации Био показал, что существуют два рода кварца, а именно: правый и левый; оба они вращают плоскость поляризации в разные стороны: один вправо, другой влево, причем оба эти направления следует считать от наблюдателя, к которому луч приближается. Био установил следующие законы относительно вращательной способности кварца: 1) угол вращения α пропорционален толщине пластинки, а потому, если сложить несколько пластинок кварца, то угол вращения равен алгебраической сумме углов вращения, произведенного отдельными пластинками; 2) величина угла вращения находится в зависимости от длины волны луча; 3) величина угла вращения α для луча данной длины волны одинакова для равных пластинок правого и левого кварца.

Эти законы, установленные для кварца, были затем наблюдаемы и для остальных, так называемых, активных, или вращающих плоскость поляризации тел, коих в настоящее время множество.

Активные тела разделяются на два класса: к первому принадлежат  такие тела, которые вращают плоскость поляризации, будучи только в кристаллическом состоянии, и тотчас теряют эту способность, как только будут переведены в раствор или в расплавленное состояние, или же перейдут в пар; второй класс составляют такие тела, которые сохраняют свою активность во всяком состоянии, т. е. в жидком, твердом, парообразном, или растворенном; таковы, например, камфара, скипидар, сахар и т. п.

В первом классе тел (к которому относятся, кроме кварца, киноварь, двойная сернокислая соль калия и лития и т. п.) активность зависит от кристаллического сложения частиц (или молекул) вещества. Сами молекулы в отдельности не активны, но в кристаллах они располагаются в таком порядке, что делают кристалл активным. Активность таких тел неразрывно связана с определенным геометрическим свойством кристалла: она принадлежит энантиоморфным формам, т. е. таким телам, которые обладают двумя кристаллическими формами, из которых одна является зеркальным изображением другой, причем обе формы не могут быть переведены друг в друга вращением, или совместиться, подобно тому, как правая рука не может быть вложена в левую. Энантиоморфизм указывает на активность кристалла, причем из двух энантиоморфных кристаллов один вращает влево, другой - вправо. При разрушении каким-либо способом кристаллического строения таких тел, они теряют активность, следовательно, последняя зависит от соположения молекул в кристаллах, а не от строения самих молекул.

Тела, принадлежащие ко второму классу, тоже энантиоморфны, но, так как они сохраняют свою активность во всяком состоянии, то это указывает, что само строение молекул, т. е. расположение атомов внутри молекул, обусловливает энантиоморфизм. Пастер, исследования которого над солями винной кислоты впервые открыли эту связь между энантиоморфизмом и активностью тел, разницу между строением кварца, киновари и других тел, принадлежащих к первому классу, и строением винных кислоте и тому подобных органических тел, объясняет следующим сравнением: представим себе винтовую лестницу, ступени коей имеют форму кубов; разрушим лестницу, и асимметрия пропадет, ибо отдельные ступени не асимметричны. Нечто подобное мы имеем у кварца. Кристалл кварца - это готовая лестница. Он гемиэдричен и, сообразно с этим, он вращает плоскость поляризации, но если кристалл разрушить, т. е. растворить, расплавить и т. п., то асимметрия пропадет, и тело перестанет быть активным. Представим себе подобную же винтовую лестницу, но со ступеньками из неправильных тетраэдров. Разрушьте лестницу, и асимметрия останется, ибо каждый тетраэдр асимметричен. Это мы видим у оптически-действующих органических тел, каковы сахар, винные кислоты, камфора и многие другие; их активность не исчезает, с переходом их из одного физического состояния в другое, ибо всякая молекула, вследствие асимметрического расположения атомов в ней, действует на поляризованный луч. Дальнейшее развитие идей Пастера привело ван'т Гоффа, Ле Беля и др. к выработке стереохимической теории (см. стереохимия), выясняющей внутреннее пространственное расположение атомов в частице органических тел. Как выше было указано, угол вращения α изменяется пропорционально длине слоя и зависит от длины волны луча света. Кроме того, он зависит от плотности и температуры тела. Поэтому наблюдения всегда относят к определенному лучу света (обыкновенно к желтому пламени натрия) и вычисляют так называемое удельное вращение тел [α]. (Описание аппаратов, служащих для измерения вращения луча см. при слове поляризация). Если наблюдаемый угол вращения - α, длина оптически деятельного слоя l (за единицу принимается дециметр), a d - плотность тела (т. е. число граммов в 1 куб. сантиметре), то [α]= α/(ld), где [α] есть величина, постоянная для данного вещества. Помножая эту величину на молекулярный вес тела, получают М∙[α] - молекулярную вращательную способность. Так как при этом получаются очень большие числа, то обыкновенно эту величину делят на 100, т. е. [M]=M∙[α]/100.  Определение вращательной способности твердых тел обыкновенно производят, растворяя их в оптически недеятельных и химически недействующих растворителях (например, воде, спирте, хлороформе и т. п.). Так как при одной и той же длине слоя раствора, вращение луча пропорционально концентрации, т. е. числу граммов, растворенных в единице объема, то [α]=(100α)/(l∙d∙p) и [М]=(Мα)/(l∙d∙p),  где p - равно числу граммов активного вещества в 100 грамм раствора. Так как p∙d=c, где c - представляет количество граммов активного вещества в 100 куб. сантиметрах раствора, то вышеприведенная формула принимает вид [α]=(100α)/(l∙с)= (α∙V)/(l∙m),  где V обозначает объем (в куб. сантиметрах), в котором растворено m граммов активного вещества. Найденные таким образом величины изменяются в зависимости, как от рода растворителя, так и от концентрации раствора.

Магнитное вращение плоскости поляризации, открытое Фарадеем, наблюдается тогда, когда тела, не обладающие способностью вращать плоскость поляризации, приобретают это свойство, будучи помещены в магнитное поле.

И. Каблуков.