Pouvoir rotatoire

Le pouvoir rotatoire, aussi nommé activité optique ou quelquefois biréfringence circulaire, est la propriété qu'ont certains milieux de faire tourner le vecteur lumineux d'un faisceau lumineux la traversant.


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Phénomène optique - Stéréochimie - Chimie générale

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  • Cela vient du fait que le pouvoir rotatoire spécifique de la substance dépend de la longueur d'onde. C'est à dire, les radiations de différentes longueurs... (source : faidherbe)
  • [@]i * l * C avec [@]i le pouvoir rotatif spécifique d'une molécule selon un longueur d'onde i, (fréquemment la raie D du sodium)... (source : chimix)
  • Le pouvoir rotatoire est la propriété [11] qu'ont certains milieux de faire... La sommation de ces deux ondes circulaires donne naissance à une onde... (source : cder)

Le pouvoir rotatoire, aussi nommé activité optique ou quelquefois biréfringence circulaire, est la propriété qu'ont certains milieux de faire tourner le vecteur lumineux d'un faisceau lumineux la traversant. Les composés induisant une déviation du vecteur vers la droite (lorsque on fait face à la lumière) sont qualifiés de dextrogyres (ex : saccharose). Les composés induisant une déviation du vecteur vers la gauche (lorsque on fait face à la lumière) sont qualifiés de lévogyres (ex : fructose).


La rotation de la polarisation d'une lumière polarisée rectilignement fut observée au début du XIXe siècle, surtout par Jean-Baptiste Biot, avant que la nature des molécules soit comprise. Des polarimètres ont alors été utilisés pour mesurer la concentration de sucres, comme le glucose, en solution. Leur nom était même quelquefois associé à cet effet, comme le dextrose, qui fait tourner la polarisation vers la droite.

Théorie

Elle a été faite dès le début du XIXème siècle par Augustin Fresnel, qui était polytechnicien dix ans après Jean-Baptiste Biot. Fresnel est en particulier réputé pour les expériences d'interférences, par lesquelles il a définitivement confirmé la nature ondulatoire de la lumière (après Huygens et Young). Il a aussi établi la nature transversale de l'onde lumineuse, et ses diverses polarisations, qui sont décrites dans l'article Polarisation (optique) .

Fresnel a pu expliquer le pouvoir rotatoire après avoir remarqué que les deux polarisations circulaires (de sens de rotation opposés, à droite ou à gauche) sont transmises sans déformation par les milieux actifs, ayant le pouvoir rotatoire ; mais qu'elles sont transmises avec deux indices de réfraction différents nD et nG, c'est-à-dire deux vitesses de propagation différentes c / nD et c / nG.

Fresnel démontre tandis que le champ  \vec E_r d'une onde polarisée rectilignement est égal mathématiquement à la somme de deux champs, tournant en sens inverses l'un de l'autre, vers la droite ou vers la gauche, et dont les amplitudes sont identiques à la moitié de celle du champ initial :  \vec E_r = \vec E_D + \vec E_G

En effet les composantes de  \vec E_D et  \vec E_G perpendiculaires au plan de propagation de l'onde rectiligne sont toujours identiques et opposées, et s'annulent par conséquent l'une l'autre ; alors que leurs composantes parallèles à ce plan sont toujours identiques à la moitié du champ de l'onde rectiligne  \vec E_r , et s'ajoutent par conséquent, réalisant l'égalité vectorielle ci-dessus. Fresnel calcule par conséquent séparément la propagation des deux ondes circulaires, droite et gauche, avec des indices différents. A la sortie du milieu d'épaisseur L, ces deux ondes ont eu des durées de propagation différentes, et l'une est retardée comparé à l'autre d'une durée

Δt = (nGnD) L / c ;

et leurs sinusoïdes sont déphasées d'un angle

φ = ωΔt = 2πfΔt = 2π (nGnD) L / λ

(f est la fréquence de l'onde et λ = (c / f) est la longueur d'onde de la lumière dans le vide). En faisant l'addition des deux champs des ondes circulaires, transmises à la sortie, on calcule une onde de polarisation rectiligne, qui a tourné autour de la direction de propagation d'un angle θ qui est la moitié de l'angle de déphasage :

θ = φ / 2 = π (nGnD) L / λ,

Origine structurale du pouvoir rotatoire

Les études effectuées au cours du XIXe siècle ont montré que le pouvoir rotatoire accompagne une structure microscopique dissymétrique du milieu concerné, dans l'arrangement des atomes pour former une molécule ou un cristal ; on parle de dissymétrie ou de chiralité soit moléculaire, soit cristalline. L'élément de base de cette structure est une figure géométrique spatiale dissymétrique, en sorte qu'elle ne soit pas superposable avec son image dans un miroir. Ces deux stuctures, images l'une de l'autre, mais non superposables produisent des rotations en sens opposés du champ électrique des ondes lumineuses, à condition qu'elles ne soient pas mélangées.

Quand ces molécules ou cristaux dissymétriques sont fabriqués dans des réactions chimiques, partant de molécules courantes et symétriques, le processus chimique, ne comportant au départ aucune dissymétrie, produit toujours un mélange en quantités identiques des deux formes images. Ce mélange, nommé racémique, n'a aucun pouvoir rotatoire. À la fin du XIXe siècle, Pasteur a réussi, en cristallisant un mélange racémique, à séparer les deux structures images, en triant visuellement, un par un, les petits cristaux ; et il a obtenu ainsi deux milieux différents, ayant le pouvoir rotatoire.

Les organismes biologiques (animaux ou végétaux) sont fréquemment capables de produire des molécules d'une seule forme, dont on observe le pouvoir rotatoire. C'est pourquoi le pouvoir rotatoire intéresse spécifiquement les biochimistes.

Utilisations

Pour une solution, son activité optique sert à mesurer sa concentration grâce à la loi de Biot : α=[α]. l. c. Où α est le pouvoir rotatoire de la solution en degré, [α] le pouvoir rotatoire spécifique qui dépend lui-même de la température, de la longueur d'onde utilisée, et du solvant surtout (on donne fréquemment dans les tables ce pouvoir rotatoire spécifique à 20 °C et pour la longueur d'onde de la raie jaune du sodium à 589, 3 nm), l la longueur de la cuve en décimètre et c la concentration en gramme par mililitre. [1]

En présence d'un champ magnétique, l'ensemble des molécules ont une activité optique. Ainsi on observe une rotation de la polarisation d'une lumière traversant un milieu soumis à un champ magnétique. Cet effet Faraday est l'une des premières découvertes de lien entre la lumière et l'électromagnétisme.

Notes et références

  1. cours de chimie de l'université du var

Voir aussi

Lien externe


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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
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