Определение концентрации раствора

ПРИ ПОМОЩИ САХАРИМЕТРА

Цель работы – исследование зависимости угла вращения плоскости поляризации от концентрации раствора; определение удельного вращения.

Краткое теоретическое введение

Постановка задачи

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. При этом векторы и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему (рис. 1). Вектор напряжённости электрического поля световой волны обычно называют световым вектором.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. Если световой вектор колеблется по прямой линии (в одной плоскости), то свет называют линейно поляризованным (или плоско поляризованным). Если вектор описывает эллипс, говорят об эллиптической поляризации. Если же световой вектор описывает окружность, то говорят о круговой поляризации.

В естественном свете колебания светового вектора совершаются хаотически, беспорядочно. Естественный свет – неполяризованный свет. Это связано с тем, что световая волна в этом случае слагается из множества волн, испускаемых отдельными атомами случайно независимым друг от друга образом.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью устройств, называемых поляризаторами (П). Эти устройства свободно пропускают колебания одного направления, которое иногда называют направлением поляризации. На рис. 2 такое направление условно обозначено стрелкой. После поляризатора П пропускаются колебания одного направления, естественный свет становится плоскополяризованным, его интенсивность убывает в 2 раза .

Поляризатор, поставленный на пути уже поляризованного света, называют анализатором (А). Если ось анализатора перпендикулярна направлению колебаний вектора Е поляризованного света, то свет через анализатор не пройдет. Интенсивность вышедшего из анализатора света минимальна. Если же направление поляризации анализатора параллельно направлению колебаний вектора поляризованного света, то свет через анализатор пройдет. Интенсивность света, вышедшего из анализатора, в этом случае будет максимальной.

Связь интенсивности света, вышедшего из анализатора, I_А, и интенсивности поляризованного света, I_П , падающего на анализатор, определяется законом Малюса: I_А = I_П cos²a, где a - угол между направлениями вектора в падающей на анализатор волне и направлением оптической оси анализатора (угол между осями поляризатора и анализатора).

При прохождении поляризованного света через некоторые вещества свет остаётся линейно поляризованным, но плоскость колебаний электрического вектора и, соответственно, плоскость поляризации поворачиваются на некоторый угол a. Вещества, вызывающие поворот плоскости поляризации, называются оптически активными, а само явление - вращением плоскости поляризации. Схема поворота плоскости колебаний при прохождении света через оптически активное вещество приведена на рис. 3.

Оптически активными являются некоторые кристаллы (кварц), жидкости (скипидар, никотин), а также растворы ряда веществ в воде (например, сахарозы, глюкозы, винно-каменной, яблочной и миндальной кислот), растворы камфары, стрихнина в спирте и т.п. (более подробно см. [1,2]). Угол поворота плоскости поляризации α для оптически активных растворов прямо пропорционален концентрации с вещества. Это свойство используется для определения, например, концентрации сахара в производственных растворах и биологических объектов (например в крови и др).

Для водных растворов оптически активных веществ угол поворота a светового вектора определяется по формуле

,

где с - концентрация растворимого вещества, - длина пути света в растворе, [a] - величина удельного вращения раствора. Удельное вращение [a] обычно выражают величиной угла поворота светового вектора, при прохождении светом раствора толщиной в 1 дм, при концентрации растворённого вещества 1 г/см³. У сахара для жёлтой линии удельное вращение[a] составляет 66,5 град×см³/г×дм.

Практическая часть

1. Конструкция и принцип действия сахариметра

В данной работе определение угла вращения a осуществляется с помощью сахариметра СУ-3, внешний вид которого представлен на рис 4. Основными частями прибора являютсяизмерительная головка 2, осветительный узел 5, камера 3для поляриметрических кювет, поляризатор 4(с оправой), который преобразует световой поток в поляри­зованный поток света и разделяет его на две половины линией раз­дела.

Для работы поляризатор устанавливают таким образом, чтобы пло­скости поляризации обеих половин светового потока составляли одинаковые углы с плоскостью поляризации анализатора, в этом случае анализатор пропускает равные по светосиле поло­вины светового потока, поэтому в установленной за анализатором зри­тельной трубе наблю­даются две равноосвещенные половины поля, разделенные тон­кой линией (нуль прибора). При помещении в камеру 3 кюветы с иссле­дуемым раствором в результате оптической активности раствора происходит поворот плоскости поляризации, нарушается равенство освещенности половин поля зрения. Уравнивание освещенности половин поля зрения сахаримет­ра осуществляется с помощью клинового компенсатора.

На лицевой стороне измерительной головки прибора имеет­ся лупа 1 в оправе для отсчета показаний по шкале и зритель­ная труба 8, в которой находится гильза 7с анализатором. В нижней части измерительной головки расположена рукоятка кремальерной передачи 6для перемещения подвижного кварце­вого клина и связанной с ним шкалы.

Перед началом измерений (при отсутствии в камере кюве­ты), вращая рукоятку кремальерной передачи 6, необходимо ус­тановить однородность поля зрения. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать (рис. 5) (если не совпадают, то вводят поправку на нуль прибора). Затем в камеру помещают поляриметрическую кювету с испытуемым раствором, который нарушает однородность поло­винок поля зрения. Вращая рукоятку кремальерной передачи 6, снова уравнивают однородность поля зрения и при помощи нониуса производят отсчет показаний шкалы (значение угла α) с точностью до 0,1 °S. Буква «S» означает градусы сахарной шкалы.

Примеры показаний шкалы и нониуса приведены на рис. 6. На рис. 6а α=+11,5°S (нуль нониуса расположен правее ну­ля шкалы на 11 полных делений, и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается пятое деление нониуса). На рис. 6б α = -3,2°S (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на три полных деления, и в левой части нониуса с од­ним из делений шкалы совмещается второе деление нониуса). Следует иметь в виду, что 100° международной сахарной шкалы соответствуют 34,62° угловых. Чтобы перевести градусы сахарной °S шкалы в угловые градусы необходимо °S умножить на 0,35.

2. Порядок выполнения работы и обработка

результатов измерения

Задание 1. Определение концентрации раствора сахара

1. Установка прибора на нуль, определение j₀. Поместить в камеру прибора (5) поляриметрическую трубку с нулевойконцентрацией раствора (трубка №1). Вращая рукоятку кремальерной передачи (6), добиваются полной однородности обеих половинок поля зрения сахариметра. При этом нулевые деления шкалы и нониуса, видимые в верхнем окуляре (1), должны совпасть (рис.5). Если этого нет, то следует определить j₀ и в последующие измерения вводить поправку (поправку на нуль), j₀. Измерения j₀ повторить 3 раза.

2. Поместить трубку, заполненную водным раствором сахара известной концентрации, в камеру прибора и измерить угол поворота плоскости поляризации j с точностью до 0,1°. Измерения повторить 3 раза.

3. Опыт повторить с остальными трубками, одна из которых заполнена водным раствором сахара неизвестной концентрации C_x. Результаты опыта свести в табл. 1.

4. Построить график зависимости угла поворота плоскости поляризации a от концентрации с активного вещества.

5. Найти по графику неизвестную концентрацию C_x.

6. По графику определить удельное вращение, используя то обстоятельство, что тангенс угла наклона усреднённой прямой численно равензначению [a] × . Поэтому

,

где значения C₁ и C₂ удобно выбрать наименьшим и наибольшим соответственно (очевидно наименьшие значения C₁ = 0, a₁ = 0).

Таблица 1

Номер трубки	Концентрация раствора (С), г/см3	Отсчеты при наличии трубки, ji , (oS)	, (oS)	Угол вращения , (oS)	в угловых градусах (×0,35)
№1	C1= 0	1. j0 = 2. j0 = 3. j0 =
№2	C2 =	1. j = 2. j = 3. j =
№3	C3 =	1. j = 2. j = 3. j =
№4	C4 =	1. j = 2. j = 3. j =
№5	Cx =	1. j = 2. j = 3. j =

Задание 2. Исследование зависимости угла вращения плоскости поляризации a от длины пути l.

1. Из набора поляриметрических трубок различной длины с раствором одинаковой концентрации (набор № 2) поместить в камеру прибора трубку длиной 5 см.

2. Определить для нее j. Повторить измерения 3 раза. Данные измерений занести в таблицу № 2.

3. Измерения повторить для трубок длиной 10, 15, 20, 25 см. Данные занести в таблицу № 2.

Таблица 2

	l (см)	j, °S	, °S	°S	в угловых градусах (×0,35)
j1	j2	j3

4. Построить график зависимости угла вращения плоскости поляризации a от длины пути l. Убедиться в его линейности.

5. По наклону прямой из графика оценить значение [a]. Сравнить с найденным [a] в задании 1.

Контрольные вопросы

1. Что представляет из себя свет? Что называют световым вектором?

2. Какой свет называется поляризованным? Почему естественный свет не поляризован?

3. Какие виды поляризации света вы знаете?

4. Как можно получить поляризованный свет?

5. Что такое анализатор?

6. Какие вещества называются оптически активными?

7. Назовите вещества, которые могут вращать световой вектор?

8. Какова зависимость между углом вращения a и концентрацией вещества?

9. Физический смысл удельного вращения [a]?

10. Как устроен сахариметр? Как определяется нуль прибора?

Список литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики.

3. Физический практикум под ред. В.И. Ивероновой.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5-6