Определение концентрации сахара в растворе при помощи поляриметра

Приборы и принадлежности: поляриметр, кюветы с раствором сахара различной концентрации.

Цель работы: изучение свойств поляриметра и определение концентрации сахара.

Теоретическое введение

Свет представляет собой электромагнитную волну. Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны, поэтому вектор напряженности электрического поля называют световым.

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света Колебания световых векторов происходят во всевозможных направлениях, и поэтому плоскость их колебания постоянно меняет свое положение в пространстве.

Если же направление колебаний светового вектора упорядочено каким-либо образом, то свет называют поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость колебания вектора E занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называется плоскополяризованным. Плоскость, в которой происходят колебания вектора Е, называется плоскостью поляризации. Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но имеется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которым он обнаруживается.

_Поляризованный свет можно получать из естественного с помощью поляризаторов (призма Николя, поляроид и т.д.). Они пропускают колебания, параллельные только одной главной плоскости, и полностью задерживают колебания перпендикулярные этой плоскости.

Чтобы исследовать, является ли свет плоскополяризованным. на пути лучей ставят второй поляризатор, который называется анализатором, указывая этим, что он используется не только для получения, а для анализа поляризованного света.

Пусть колебания поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол φ с главной плоскостью анализатора. Амплитуду этих колебаний А можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: A₁ - совпадающую с главной плоскостью анализатора и А₂ - перпендикулярную ей

A₁= A cos φ, А₂= A sin φ. (1)

Первая составляющая колебаний пройдет через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна А²соз²φ

J= J₀ соs²φ, (закон Малюса) (2)

где J₀ - интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; φ - угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора

После прохождения естественного света через поляризатор, свет становится поляризованным. Если плоскости поляризатора и анализатора параллельны, те. φ=0. π, cos φ = ±1, то экран, помещенный за анализатором будет максимально освещен. Если φ = π/2, Зπ/2, cos φ = 0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным. При прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается явление вращения плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относят кристаллические вещества (кварц, киноварь и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, винный спирт и др.).

В растворах угол а поворота плоскости поляризации пропорционален пути луча в растворе L и концентрации С раствора:

а=[а_о]С L, (3)

где [а_о] - удельное вращение. Оно обратно пропорционально квадрату длины волны, зависит от природы веществ и температуры, и числено равно увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора, толщиной 10 см при концентрации вещества 1г на 100 см раствора, температуре 20^о С и длине волны света 589 см. При пропускании поляризованного света через раствор оптического активного вещества плоскости поляризации волн различной длинны будут поворачиваться. В зависимости от положения анализатора проходят лучи разной окраски. Это явление называется враща­тельной дисперсией.

Если между скрещенными поляризатором и анализатором поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрение просветляется. Чтобы снова получить полностью затемненное поле зрения, необходимо анализатор повернуть на угол поворота плоскости поляризации света при прохождении через кювету с раствором. Зная удельное вращение данного вещества и длину кюветы можно определить концентрацию раствора:

C = a/[a₀]L. (4)

Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных веществ с помощью поляриметра, называется поляриметрией. Он широко применяется в медицине в биологии (например, для определении оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака). В клинической практике, например, для определения количества сахара в моче. Прибор применяемый для этой цели называется сахарометром.

Описание прибора

В работе используется медицинский сахарометр. Источником света в сахарометре является лампа накаливания Л. Белый свет от лампы падает на фильтр Ф и объектив О. Полненный монохроматический свет проходит через поляризатор П и кювету Т с раствором и анализатора А В качестве поляриза­тора и анализатора в приборе используются поляроиды. После анализатора свет проходит через объектив Об и окуляр Ок зрительной трубы сахарометра, которая служит для визуального наблюдения поля зрения.

Вследствие адаптации глаза визуально трудно оценить абсолютную освещенность, в то же время легко сравнить освещенность различных частей поля зрения.

В результате введения кварцевой пластинки поле зрение сахарометра оказывается разделенным на три части. Средняя часть освещается светом, прошедшем через поляризатор, кварцевую пластинку и анализатор, а две крайние части поля зрения - светом, прошедшем через поляризатор и анализатор. Гак как кварц является оптически активным веществом, то после прохождения поляризованного света через пластину его плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол. Поворачивая анализатор, можно получить равномерно освещенное поле зрения. Это будет происходить при двух положениях анализатора:

1) Плоскость анализатора АА совпадает с биссектрисой угла между направлениями колебаний в средней и крайних частях поля зрения.

2)Плоскость анализатора перпендикулярна биссектрисе между направлениями колебаний. В одном случае яркость поля зрения будет больше, а в другом - меньше При работе с сахарометром следует уравнивать части поля зрения при меньшей яркости Если установить анализатор на равную освещенность всех частей поля зрения, а затем поместить между анализатором и поляриметром трубку с раствором сахара, то равенство яркостей средней и крайней частей поля зрения нарушается. Это происходит в следствии того, что во всех частях поля зрения плоскости колебания светового вектора повернутся на один и тот же угол. Для восстановления равенства освещенностей необходимо повернуть анализатор на тот же угол, равной углу поворота плоскости поляризации света при прохождении им раствора сахара. В медицинских сахарометрах угол поворота анализатора непосредственно в градусах дает непосредственную концентрацию раствора сахара. Это достигается соответствующим подбором длины трубки.

Порядок выполнения работы

1. Включить осветитель 1 сахарометра в сеть.

2. Перемещая муфту 2 окуляра зрительной трубы, установить на ясное видение разделяющиеся линии тройного поля зрения.

3. Вращая фрикцион 3, добиться равномерного затемнения трех частей поля зрения При этом шторка 4 на соединительной трубке должна быть закрытой.

4. Снять показания левого и правого нониусов.

5. Поместить трубку с раствором сахара, известной концентрации в сахарометр.

6. Вращая фрикцион, снова добиться равномерного затемнения трех частей поля зрения Снять отсчеты по левому и по правому нониусам.

7. Определить угол вращения плоскости поляризации:

а₁ = 0,5[(n₁^’ -n₀^’) + (n₁"-n_о")].

8. Определить удельное вращение раствора сахара:

[а₀]₁ = а₁/(С₁L₁).

9. Поместить в сахарометр трубку с раствором сахара известной концентрации и, повторив операции пп. 6,7,8, определить угол вращения плоскости поляризации для этого раствора и удельное вращение раствора сахара:

а₂ = 0,5[(n₂^’ -n₀^’) + (n₂"-n_о")],

[а₀]₂ = а₂/(С₂L₂).

10. Рассчитать среднее значение удельного вращения раствора сахара

[а₀]_cр = ([а₀]₁+[а₀]₂)/2.

11. Поместить в сахарометр трубку с раствором сахара неизвестной концентрации и повторив операции пп. 6,7, определить угол вращения плоскости поляризации для этого раствора:

а₃ = 0,5[(n₃^’ -n_о^’) + (n₃"-n_о")].

12. Вычислить концентрацию неизвестного раствора сахара:

С_х = а₃/([а₀]_срL₃).

 

 

Таблица результатов измерений

с%	nо’	n1’	n2’	n3’	nо’’	n1’’	n2’’	n3’’
0 %		хххх	хххх	хххх		хххх	хххх	хххх
5 %	хххх		хххх	хххх	хххх		хххх	хххх
10 %	хххх	хххх		хххх	хххх	хххх		хххх
х %	хххх	хххх	хххх		хххх	хххх	хххх

 

Контрольные вопросы

1. Что такое естественный и поляризованный свет?

2. Укажите способы получения поляризованного света?

3. В чем заключается явление двойного лучепреломления?

4. Изобразите ход лучей в призме: Николя.

5. Сформулируйте закон Малюса.

6. Какие вещества называются оптически активными?

7. Изобразите оптическую схему поляриметра.

8. Объясните назначение основных элементов поляриметра и принцип его действия. С какой целью применяются поляриметры в медицине?