Главная | Обратная связь

Вращательную способность оптически активных твердых веществ характеризуют величиной угла a, на который поворачивает плоскость поляризации пластинка толщиной 1 мм. Поэтому

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА СУ-5 .

Цель работы: Овладеть методикой определения концентрации сахара в растворах с помощью приборов, принцип работы которых основан на явлении вращения плоскости поляризации света.

Оборудование: 1. Сахариметр универсальный СУ-5.

2. Кювета КПС-30 (стеклянная).

3. Две трубки с раствором сахара.

ТЕОРИЯ

В одноосном кристалле свет распространяется в направлении оптической оси так же, как и в изотропной среде, не давая двойного лучепреломления. Однако было замечено, что в кристаллах кварца распространение света вдоль оптической оси все же отличается от его распространения в изотропной среде. Оказалось, что в плоско-поляризованной волне, распространяющейся в кристалле кварца вдоль оптической оси, поворачивается плоскость поляризации. Впоследствии это явление было обнаружено в ряде других кристаллов и в некоторых жидкостях и получило название: вращение плоскости поляризации.

Вещества, вращающие плоскость поляризации, называются оптически активными.

Явление вращения плоскости поляризации (плоскости колебания вектора Е) в кварце было открыто Араго в 1811 г.

Параллельный пучок света, проходя через поляроид N₁ (поляризатор) и светофильтр F, (рис. 1), падал на пластинку кристаллического кварца Q, вырезанную перпендикулярно к оптической оси, так, что свет распространялся вдоль оси кварца.

Рис.1

Если второй поляроид N₂ (анализатор) был скрещен с первым, то свет все же проходил через эту систему. Только поворачивая ось анализатора N₂ на некоторый угол, можно добиться полного затемнения поля.

В этом опыте у линейно- (или плоско) поляризованного света после прохождения через кристалл кварца плоскость колебания вектора Е повернулась на некоторый угол, измеряемый углом поворота оси анализатора N₂.

Вращательную способность оптически активных твердых веществ характеризуют величиной угла a, на который поворачивает плоскость поляризации пластинка толщиной 1 мм. Поэтому

j = a×d, (1)

где j - угол поворота, d - толщина пластинки в мм, a - коэффициент, зависящий от длины волны, природы вещества и температуры.

Наблюдения вращения плоскости поляризации в кварце показали, что существуют два сорта кварца: правовращающий, или положительный, дающий поворот плоскости поляризации вправо (по часовой стрелке), и левовращающий, или отрицательный (поворот против часовой стрелки). Величина угла вращения в обоих случаях одинакова (a₊ = a_-).

В 1817 г. Френель показал, что явление вращения плоскости поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления. В основе рассуждений Френеля лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в активных веществах различна для лучей, поляризованных по правому и левому кругу и получил формулу (2).

Правовращающее вещество. Левовращающее вещество.

υ_п > υ_л υ_п < υ_л

n_п < n_л n_п > n_л

(Индексы п - правый, л - левый).

 

. (2)

Таким образом, Френель показал, что угол поворота плоскости поляризации линейно-поляризованного света j возникает за счет разных коэффициентов преломления n_п и n_л волн, поляризованных по правому и левому кругу. Экспериментально величина этого угла j для оптически активных твердых веществ определяется по формуле (1).

Френель проверил свою гипотезу, пропустив свет через сложную призму, склеенную из трех кусков кварца (рис. 2). Призмы 1 и 3 изготовлены из правовращающего, а призма 2 из левовращающего кварца. Все три призмы вырезаны так, что оптические оси параллельны их основаниям.

Рис. 2

При нормальном падении на систему призм плоско-поляризованного луча АВ этот луч войдет в первую призму без преломления. На границе же между первой и второй призмами он раздвоится, так как n_п ¹ n_л. Еще более лучи разойдутся при преломлении на границе между второй и третьей призмами. В результате из призмы выйдут два луча D¢ и D², причем оба будут поляризованы по кругу: один с правым, а другой с левым направлениями вращения. В действительности такие два поляризованные по кругу луча и были получены Френелем.

Наряду с кристаллами, существуют и жидкости, которые также обладают способностью вращать плоскость поляризации. К числу таких жидкостей принадлежат скипидар, водный раствор сахара, раствор виннокаменной кислоты. В 1831 г. Био опытным путем установил, что угол поворота плоскости поляризации j прямо пропорционален толщине d слоя раствора и прямо пропорционален концентрации С активного вещества:

j = [a]dC (3)

Эта формула была получена на основании того, что для растворенных веществ величина вращения плоскости поляризации возрастает пропорционально числу молекул на пути луча света (пропорционально длине слоя и концентрации). Коэффициент пропорциональности [a] аналогично коэффициенту a для кристаллов, характеризует природу вещества и носит название постоянной вращения. Постоянная вращения зависит от длины волны и температуры, она может также меняться при изменении растворителя, и притом довольно сложным образом.

Наблюдается вращение плоскости поляризации и в аморфных телах, состоящих из тех же молекул (например, сахарные леденцы), и в парах соответствующих жидкостей (например, в парах скипидара). Опыт показывает, что постоянная вращения не зависит от агрегатного состояния. Так, для жидкой камфары (при 220°К) найдено [a] = 70°33¢ , а для парообразной (при 240°К) [a]=70°31¢ .

Определив значение a для данного растворителя, определенной длины волны и температуры, можно использовать соотношение (3) для определения концентрации растворенного активного вещества.

Быстрота и надежность этого метода определения концентрации активных веществ сделали его основным методом количественных определений, практикуемых при производстве таких веществ как камфара, никотин и, особенно, сахаристые вещества (в медицине и сахарной промышленности). Измерения, выполняемые по определенным международным инструкциям, являются общепризнанными официальными контрольными приемами. В соответствии с этим, приборы, предназначенные для таких измерений и получившие название поляриметров или сахариметров (если они проградуированы в единицах концентрации сахара), доведены до высокой степени совершенства.

I. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ САХАРИМЕТРА СУ-5

Для измерения концентрации сахара в растворе в данной работе используются два прибора: сахариметр универсальный СУ-5 и поляриметр П-161.

Рассмотрим принципиальное устройство сахариметра и методику измерений. СУ-5 предназначен для определения концентрации сахарозы в растворах по углу вращения плоскости поляризации. Сахариметр состоит из узла измерительной головки 2 (рис. 4) и осветительного узла 7, соединенных между собой траверсой 4. На траверсе укреплены кюветное отделение 3 для поляриметрических кювет и оправа 5 с поляризатором и полутеневой пластиной. Схема сахариметра универсального СУ-5 изображена на рис. 3.

Рис. 3

C лицевой стороны измерительной головки расположены лупа 1 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 12. В нижней части измерительной головки 2 расположена рукоятка 11 клинового компенсатора, вращением которой перемещают подвижный кварцевый клин и связанную с ним шкалу. Осветительный узел 7 состоит из патрона с лампой и поворотной обоймы 6 со светофильтром и диафрагмой. На основании установлены кнопка 9 для включения осветителя и ручка 10 резистора для регулирования яркости поля зрения.

Принцип работы сахариметра основан на способности сахарных растворов вращать плоскость поляризации, проходящего через них поляризованного света. Угол вращения плоскости поляризации света раствором в объеме определенной толщины пропорционален концентрации раствора. На этой зависимости и основана работа сахариметра - визуального оптикомеханического прибора.

ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА

Оптическая схема сахариметра СУ-5 представлена на рис. 4,

Рис. 4

где: 1 - источник света; 2 - светофильтр; 3 - диафрагма; 4, 5 - конденсор; 6 - призма-поляризатор; 7 - полутеневая пластина; 8,9 - защитное стекло; 10 - подвижный кварцевый клин; 11 - неподвижный контрклин; 12 - анализатор; 13 - объектив; 14- окуляр; 15 - отражательная призма; 16 - светофильтр; 17 - шкала; 18 - нониус; 19 - лупа.