Работа 4. Определение концентрации раствора сахара с помощью сахариметра

Цель работы: Изучение принципа работы сахариметра, определение концентрации раствора сахара с помощью сахариметра.

Теоретическое введение:

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают свойством вращать плоскость колебаний проходящего через них света. В растворах угол поворота плоскости колебаний пропорционален концентрации раствора C и его толщине :

(4.1)

Коэффициент пропорциональности называется удельным вращением раствора, он зависит от природы раствора и от длины волны света.

Формула (4.1) лежит в основе весьма точного метода быстрого определения концентрации раствора сахара, что представляет практический интерес. Приборы, применяемые для этой цели, называются поляриметрами или сахариметрами.

Описание установки

Оптическая схема сахариметра приведена на рис.4.1

Рис.4.1

На рис.4.1. S–источник света, Ф- оранжевый светофильтр, П –поляризатор (николь), Т-трубка с раствором сахара, А- анализатор (николь), О- устройство для отсчета угла поворота плоскости колебаний, Л- шкалы лупы, З- зрительная труба, К₁К₂- компенсатор.

Принцип действия сахариметра следующий. Любой анализатор (поляризатор) пропускает свет, плоскость колебаний которого совпадает с плоскостью анализатора (поляризатора). Если плоскости поляризатора П и анализатора А перпендикулярны друг другу (рис.4.2), то в отсутствии трубки с раствором свет, выходящий из поляризатора с амплитудой колебаний Е_П, гасится анализатором полностью, и поле наблюдения через зрительную трубу 3 будет темным. При помещении между николями трубки с раствором сахара поле зрения просветляется, так как плоскость колебаний луча Е_Т, выходящего из трубки, уже не перпендикулярна плоскости анализатора А (через анализатор проходит составляющая Е_А = Е_Тсоs(90-θ) = Е_Тsinθ). Для того чтобы снова добиться темноты, анализатор следует повернуть в положение А^/ на угол, равный углу поворота θ плоскости колебаний.

Рис. 4.2

Однако установка анализатора на наибольшее затемнение не отличается большой точностью, поэтому в современных поляриметрах применяется специальное устройство – полутеневой анализатор. Он действует следующим образом. Анализатор состоит из двух рядом расположенных николей, плоскости пропускания которых А₁ и А₂ расположены под некоторым углом β (рис.4.3). Свет, падающий на анализатор, разбивается на два пучка с амплитудами колебаний Е₁ и Е₂. Соответственно в поле зрения окуляра анализатора имеется два участка освещенности.

Рис. 4.3

Например, если плоскость поляризатора П совместить с биссектрисой угла β, то в отсутствии трубки два участка имеют равномерную освещенность, так как Е₁=Е₂, и интенсивность света J₁=J₂ (рис.4.3.а). Если поместить на пути поляризованного света трубку с раствором, то проекции Е₁ и Е₂ уже неравны между собой, и в поле зрения видны два участка разной освещенности- полутень (рис.4.3.б). Для того чтобы восстановить равномерную освещенность двух полей, нужно анализатор повернуть на угол θ. Так как глаз обладает способностью хорошо устанавливать одинаковую освещенность соседних участков, то полутеневые анализаторы позволяют измерить угол θ с большей точностью, чем поляриметры с установкой на максимальное затемнение.

Вместо поворота анализатора в сахариметрах используется компенсационное устройство или компенсатор (К₁К₂ на рис.4.1.). Он состоит из пластинки правовращающего кварца К₁ и пластинки переменной толщины левовращаюшего кварца К₂ (два клина, скользящие друг относительно друга). Изменяя толщину пластинки К₂ (это делается с помощью кремальерной передачи), можно компенсировать вращение плоскости поляризации, вызванного исследуемым раствором.

Отчетное устройство сахариметра представляет собой лимб (круговая шкала), снабженный для повышения точности отсчета нониусом. Шкала проградуирована в градусах Вентцке, применяемых в сахариметрии. 100 делений этой шкалы соответствуют 34,657 градусов.

Порядок выполнения работы

1. Включить прибор в сеть переменного тока.

2. Установить окуляр зрительной трубы и лупу шкалы на максимальную резкость изображения, чтобы линия, разделяющая поле зрения на две половинки, была четко видна; также ясно должны быть видны штрихи и цифры шкалы нониуса.

1. Установить прибор на нуль. Для этого вращением ручки кремальерной передачи добиться полной одноцветности обеих половинок поля зрения (серовато-желтая окраска), при этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать.
2. В камеру прибора вложить одну из кювет с раствором сахара неизвестной концентрации, при этом одноцветность поля зрения нарушается. Вращением ручки кремальерной передачи добиться полной одноцветности обеих половинок поля зрения, как это было при наблюдении без кюветы. После этого произвести отсчет по шкале и нониусу – N(дел) и сделать соответствующий пересчет на угловые градусы - θ⁰. Повторить измерения с этой же кюветой еще два раза и найти θ⁰_ср как среднее арифметическое трех полученных результатов.
3. Согласно п.4 проделать опыт для растворов той же концентрации в других кюветах, имеющих разную длину.
4. Используя формулу (1), найти концентрацию раствора сахара в кюветах разной длины (значения и α приведены на установке). Вычислить Сср_, абсолютную и относительную погрешности:

, ,

1. Данные опыта и вычислений занести в таблицу.

Таблица 4.1

Номер трубки	, м	N, дел	θ0	θ0ср	Сi, кг/м3	Сср, кг/м3	ΔСi, кг/м3	ΔСср, кг/м3	δС,%

8. Записать результат измерений в виде С = С_ср ΔС при δС =

Контрольные вопросы

1. Какова природа света?
2. Какой свет называется поляризованным? Чем он отличается от естественного света?
3. Что называют плоскостью колебаний светового луча?
4. Какой свет называется частично поляризованным?
5. Как схематически изображается естественный, поляризованный и частично поляризованный свет?
6. Какие физические явления используются для получения поляризованного света?
7. В чем заключается явление вращения плоскости световых колебаний?
8. Нарисуйте оптическую схему сахариметра и объясните назначение его основных элементов.
9. Почему в сахариметре необходимо применять светофильтр?
10. Для чего служит полутеневой анализатор? Каков принцип его действия?
11. Скольким угловым градусам равен один градус Вентцке?