Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 18.
Определение концентрации
раствора глюкозы поляриметром

Цель работы: определение концентрации раствора глюкозы путем сравнения углов поворота плоскости поляризации растворов известной и неизвестной концентрации.

Литература: §§ 190-196.

Приборы и материалы: поляриметр круговой, набор растворов глюкозы.

С точки зрения электромагнитной теории, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну. Векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярны направлению распространения волны. В дальнейшем все рассуждения мы ограничим рассмотрением только направления колебаний вектора Е, т.к. оптические, биологические и другие процессы взаимодействия света с веществом обусловлены электрической составляющей электромагнитной волны.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа элементарных источников (атомов и молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и направлениями векторов Е по отношению к направлению распространения волны. Такой свет называется естественным, или неполяризованным. Свет, в котором колебания векторов Е упорядочены каким-либо образом, называется частично поляризованным. Если колебания векторов Е происходят только в одной плоскости, свет называется плоскополяризованным.

Поляризация света наблюдается в ряде явлений: при отражении, преломлении и при прохождении света через кристалл. Устройства, с помощью которых из естественного света получают поляризованный, называются поляризаторами.

В устройстве поляриметра используются два поляризатора. Первый из них (поляризатор) служит для получения поляризованного света, второй (анализатор) - для исследования, поляризованного света. В зависимости от относительного положения направлений разрешенных колебаний поляризатора и анализатора интенсивность луча, проходящего через такую систему, будет различной. В случае, когда плоскости колебаний поляризатора (РР) и анализатора (АА) составляют между собой некоторый угол α, интенсивность света J, прошедшего через поляризатор и анализатор, определяется законом Малюса:

(1.1)

Прохождение поляризованных лучей в некоторых кристаллах и растворах органических веществ сопровождается поворотом плоскости колебаний вектора Е на некоторый угол (вращение плоскости поляризации). Такие вещества называются оптически активными (кварц, водный раствор глюкозы, сахара). Обнаружить вращение плоскости поляризации можно с помощью поляриметра, который схематически изображен на рис.1.

Пусть оси поляризатора (РР) и анализатора (АА) скрещены (α =90°) и не пропускают свет. Поместим между ними кювету К с раствором глюкозы, тогда плоскость колебаний луча, вышедшего из поляризатора, будет повернута раствором глюкозы на некоторый угол γ. Свет частично пройдет через анализатор. Чтобы погасить свет, необходимо анализатор повернуть на такой же угол γ вслед за повернутой плоскостью колебаний луча.

Угол вращения плоскости поляризации в кристаллах пропорционален толщине слоя оптически активного вещества (l): γ =Kl, где К - коэффициент удельного вращения. Для растворов: γ =KCl , где С - концентрация раствора. Зная угол вращения плоскости поляризации γ, можно определить из последнего уравнения концентрацию глюкозы в растворе.

В работе поляриметра применен принцип уравнения яркостей разделенного на две части поля зрения. Вид поля зрения поляриметра изображен на рис.2. Уравнение яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора. Если между поляризатором и анализатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором. Следовательно, по разности двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей полей с оптически активным веществом и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором.

Порядок проведения измерений.

1. Включите прибор в сеть переменного тока и тумблером зажгите лампу. Дайте прибору прогреться 10 мин.
2. Определение нулевого отсчета проводите без кюветы. В измерительном окне прибора вы увидите две шкалы: основная (0-360°, цена деления - 0,5°) и нониусная 0-25 делений, цена деления - 0,02°. Угол между осями поляризатора и анализатора равен углу между нулями основной и нониусной шкалы. Установите на измерительной шкале 10°. Перемещением муфты настройте окуляр так, чтобы видеть четкий круг, как на рис. 2а. После этого вращением ручки к 0° добейтесь переброса освещенности на другую сторону круга (на измерительной шкале -10°). Затем, возвращаясь назад, добейтесь равномерного затемнения полей, как на рис. 2б (показания на шкале около 0°, Определите число целых делений по основной шкале, затем, если ноль нониусной шкалы не совпадает с каким-то делением основной шкалы, произведите отсчет десятых и сотых долей градуса по нониусной шкале, для этого найдите такое деление нониусной шкалы, которое образует сплошную черту с делением основной шкалы, это и будет отсчет по нониусу). Повторите измерения пять раз.
3. Трубку с раствором глюкозы известной концентрации С поместите в прибор. Как в предыдущем пункте, проведите сначала настройку окуляра, а затем установите равномерную затемненность полей. Определите (n). Разность между n и n₀ дает угол вращения плоскости поляризации раствором глюкозы известной концентрации С. Эта разность будет пропорциональна концентрации раствора и толщине слоя раствора l: n-n₀ = KCl.
4. Трубку с раствором глюкозы неизвестной концентрации поместите в поляриметр. Проведите измерения как в пункте 3. Найдите вращение плоскости поляризации раствором глюкозы неизвестной концентрации: n_x-n₀=KC_xl_x.

Окончательно концентрацию неизвестного раствора можно рассчитать по формуле:

(1.2)

Результаты представьте в таблице.

Таблица 1

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой естественный и поляризованный свет?
2. Назовите методы поляризации света.
3. Сформулируйте закон Малюса.
4. Какие вещества называются оптически активными?
5. Объясните работу поляриметра.