Лабораторна робота № 17. Визначення концентрації розчину цукру за допомогою поляриметра

Мета роботи – вивчити явище обертання площини поляризації та визначити концентрацію розчину цукру.

 

Вказівки до виконання лабораторної роботи

Для виконання лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: поляризація світла; властивості поляризованого світла; явище обертання площини поляризації.

[1, т.3, §§ 5.1 – 5.6, 5.9; 2, §§ 190 – 196; 3, розд. 9, §§ 7; 4. т.2, §§ 134 – 141]

 

Світло – це процес розповсюдження у просторі електромагнітних хвиль. Орієнтація взаємно перпендикулярних векторів напруженості електричного та магнітного поля в природному світлі має будь-який рівноймовірний напрямок коливань у просторі, який може безладно змінюватись з часом. Це обумовлено тим, що переходи електронів в атомах з одного енергетичного рівня на другий супроводжуються неузгодженим електромагнітним випромінюванням. Якщо коливання електричного вектора якимось чином упорядковане, то світло називається поляризованим.

Світлова хвиля, в якій коливання електричного вектора відбувається в одній площині, називається плоско поляризованим світлом. Світло, в якому електричний вектор змінюється з часом так, що його кінець в кожній точці простору описує коло, називають поляризованим по колу. Площина, в якій відбувається коливання вектора , називається площиною поляризації.

Одним з важливих у теоретичному і практичному відношеннях явищ молекулярної оптики, зокрема взаємодії поляризованого світла з речовиною, є явище обертання площини поляризації. Воно полягає у тому, що при проходженні монохроматичного поляризованого світла через деякі речовини обертається площина його поляризації. Це явище було виявлено у значної кількості речовин у різних агрегатних станах. Такі речовини названо природними оптично активними речовинами. До них належать: кварц, розчин цукру, скипидар, камфора та ряд розчинів складних органічних сполук. Лінійно поляризоване світло при вході в оптично активну речовину внаслідок взаємодії з молекулами поділяється на дві частини. Промені однієї частини поляризовані по колу за годинниковою стрілкою, другої – проти годинникової стрілки. При виході з речовини світло знов стає лінійно поляризованим. Але при проходженні через речовину промені з коловою поляризацію мають різні швидкості, а отже і різні фази коливань. При їх складанні на виході результуючий лінійно поляризований промінь матиме площину поляризації, повернену на деякий кут порівняно з променем, який падає. Значення кута обертання площини поляризації при проходженні через таку речовину залежить від різниці швидкості поширення поляризованих по колу променів, товщини шару середовища та, незначною мірою, від температури.

Кількісною мірою оптичної активності речовини є кут повороту площини поляризації. Цей кут у молекулярно активних речовинах (розчини) пропорційний концентрації с речовини в неактивному розчиннику, довжині оптичного шляху світла в цій речовині, а також залежить від природи самої речовини:

, (17.1)

де j₀ – питома оптична активність.

Кут j₀ залежить від довжини хвилі світла, температури, а також досить складно від природи розчинника при його активності. Досить важливим є те, що j₀ для даної речовини не залежить від її агрегатного стану. Вимірюючи j та знаючи j₀ і , можна визначити концентрацію даного розчину. Якщо ж питома оптична активність невідома, то користуючись (17.1) і вимірюючи кут обертання площини розчином відомої концентрації, знаходять значення невідомої концентрації:

. (17.2)

Оскільки існує дисперсія кута обертання j, то в приладах для його вимірювання використовують монохроматичне світло. Кут обертання площини поляризації вимірюють поляриметрами. Широкого поширення набули поляриметри для вимірювання концентрації цукрових розчинів.

У роботі використовується поляриметр П–161 з потрійним полем зору, оптичну схему якого наведено на рисунку 17.1. У ньому застосовано принцип зрівнювання яскравостей поділеного на три частини поля зору. Поділ поля зору на три частини здійснюється введенням в оптичну схему приладу кварцової пластинки К, яка займає лише середню частину поля зору. Зрівноваження полів відбувається поблизу повного затемнення поля зору, що відповідає майже повному схрещенню поляризатора та аналізатора.

Потік світла від освітлювача за допомогою дзеркала спрямовується на оранжевий світлофільтр Ф. Після нього потік поділяється на три частини. Середня частина пучка попадає на поляризатор П після проходження кварцової пластинки К, а дві крайні – безпосередньо на поляризатор. Зрівнювання яскравостей поля зору здійснюється повертанням аналізатора А.

Вигляд поля зору в окулярі подається на рисунку 17.2. Якщо між поляризатором і аналізатором помістити пластину з розчином цукру, який обертає площину поляризації, то нульова рівність яскравостей частини поля зору порушиться. Її можна відтворити обертанням аналізатора на кут, що дорівнює куту обертання площини поляризації розчином. Різниця двох відліків що відповідають фотометричній рівновазі полів з оптично активним розчином і без нього дорівнює куту обертання площини поляризації розчином даної концентрації.

Перед початком вимірювань, кювету для розчинів необхідно вичистити та промити дистильованою водою. Після цього один кінець кювети закрити, а через другий заповнювати досліджуваним розчином. Заповнення кювети проводиться до утворення на поверхні опуклого меніска. Цей меніск обережно зсувається вбік, при насуванні на торцеву частину кювети накривного скла. На скло накладається гумова прокладка, яка притискається втулкою з різьбою. У кюветі не повинно бути повітряної бульбашки.

Хід роботи

1. Ознайомитися з будовою і принципом дії поляриметра П – 161.

2. Підготувати кювету з відомою концентрацією розчину.

3. Вмістити у виріз колонки приладу кювету з дистильованою водою.

4. Спрямувати світловий потік від освітлювача за допомогою дзеркала у прилад, через окуляр спостерігати фотометричне поле. Переміщенням окуляра досягти різного зображення ліній поділу поля зору.

5. Обертанням аналізатора домогтися рівномірного затемнення потрійного поля зору. У цьому найбільш чутливому положенні незначне обертання аналізатора веде до різкої зміни освітленості полів.

6. Рівномірну затемненість поля встановити 3–5 разів, кожного разу знявши по ноніусу градусної шкали. Середнє значення проведених відліків є нульовим відліком приладу, або поправкою на “0”. Знак поправки (+,–) відносно нульового штриха ноніуса вважається доданим, якщо штрих зміщений за годинниковою стрілкою, і від’ємним – якщо проти годинникової стрілки.

7. Встановити у виріз колонки кювету з розчином відомої концентрації і зробити вимірювання кута відповідно до пп.5, 6. Спочатку записати кількість повних градусів повороту шкали аналізатора. Потім підрахувати кількість поділок від нуля ноніуса до штриха ноніуса, який збігається з штрихом градусної шкали. Ціна поділки шкали ноніуса дорівнює 0,1^о.

8. Встановити у виріз колонки кювету з розчином невідомої концентрації. Таких вимірювань зробити не менш як 5, 6. За формулою (17.2) обчислити невідому концентрацію.

*Примітка. Якщо оптично активна речовина обертає площину поляризації більш як на 10^о, то треба користуватися монохроматичним джерелом світла, оскільки без цього виникає помітне забарвлення полів, що ускладнює встановлення фотометричної рівності полів.

Контрольні запитання

1. Які речовини називають оптично активними?

2. Поясніть фізичний зміст явища обертання площини поляризації.

3. Для чого в поляриметрах використовують поділ поля зору?

4. Що таке питома оптична активність і від чого вона залежить?