Поляриметры и их применение. Поляриметрия. Определение концентрации раствора сахара

Поляриметр настольного типа, закрытой конструкции, визуальный, с наклонной осью состоит из следующих узлов: головки анализатора с отчетным устройством и лупой, поляризационного устройства, основания в сборе и набора кювет. Общий вид поляриметра изображен на рис.6: 1 - втулка наблюдательной трубки, 2 - кюветное отделение, 3 - окуляр, 4 - ручка анализатора, 5 - шкала лимба, 6 - наглазник, 7 - лупа.

Рис. 6. Общий вид поляриметра

Принципиальная оптическая схема поляриметра приведена на рис. 7.

1-лампочка накаливания, 2-светофильтр, 3-конденсор, 4-поляризатор, 5-хроматическая фазовая пластинка, 6-защитное стекло, 7-покровные стекла кюветы (трубки), 8-трубка, 9-анализатор, 10-объектив, 11- окуляр, 12-лупы.

Свет от источника 1 проходит через желтый светофильтр 2. конденсор 3 и падает параллельным пучком на поляризатор 4. Поляризованный свет попадает на активное вещество, находящееся в кювете 8.

В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части поля зрения. Разделение поля зрения осуществлено введением в оптическую схему поляриметра хроматической фазовой пластинки 5. Яркости полей сравнения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения. Плоскости поляризации поляризатора и анализатора составляют угол 86,5 0

Свет от лампы, пройдя через поляризатор одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку, защитное стекло, кювету и анализатор, а другой частью пучка только через защитное стекло, кювету и анализатор. Вид поля зрения показан на рис.8. Уравнивание яркостей полей зрения производится путём вращения анализатора.

Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически активным веществом, то равенство яркостей полей зрения нарушается (рис.9). Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный ушу поворота плоскости поляризации оптически активным раствором (рис.10).

Следовательно, разностью двух отсчётов, соответствующих равенству двух яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации раствором.

Зная угол вращения плоскости поляризации в градусах (см формулу 7), можно определить концентрацию вещества в г/см 3:

Рис.8. Положение лимба и поле зрения при установке анализатора на равную яркость полей зрения в чувствительном положении при введенной кювете, наполненной дистиллированной водой (нулевое положение)

РИС.9. Положение лимба и поле зрения после ввода кюветы, наполненной раствором и вторичной установки окуляра на резкость) изображения линий раздела полей зрения

РИС.10. Положение лимба и поле зрения при установке анализатора на равную яркость полей сравнения в чувствительном ] положении с кюветой, наполненной раствором.

Отсчеты углов ф по шкале снимают следующим образом. Шкала поляриметра состоит из двух частей: подвижная шкала лимба (левая часть на рис. 8-10) и неподвижная шкала нониуса (правая часть). Цена деления шкалы лимба 0,5°, нониуса - 0,02°. Оцифровка нониуса "10" соответствует 0,10°; "20" - 0,20° и т.д. Определяют на сколько градусов повернута шкала лимба по отношению к "нулю" нониуса. Затем смотрят, какие два деления (одно на лимбе, другое на нониусе) совпадают и по совпадающему делению на нониусе отсчитывают сотые доли Градуса (принцип такой же, как и для штангенциркуля) Например, шкала лимба сдвинута на 3 деления относительно "нуля"" нониуса и совпадает 6-ое деление на нониусе с каким-то делением на лимбе. Тогда нам это дает:

3 деления * 0,5°= 1,5° + 6 делений * 0,02° = 0.12° Угол ф = 1 ,5° + 0,12° = 1,62°

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включите поляриметр в сеть переменного тока.

2 Вращением втулки 1 (см рис.6) установите окуляр тек, чтобы видеть резкое изображение линии раздела полей сравнения как на рис 8

3 Откройте крышку кюветного отделения 2 и выньте кювету (трубку) Перед началом измерений трубку для растворов необходимо отчистить от всяких загрязнений. С этой целью ее промывают дистиллированной водой. Затем трубку заполните раствором или водой Заполнение трубки ведется до тех пор, пока на верхнем конце трубки не появится выпуклый мениск. Выпуклый мениск сдвигается в сторону при надвигании на него покровного стекла. Затем на покровное стекло наложите резиновую прокладку и наверните колпачок. После этого покровные стекла с наружной стороны тщательно протираются мягкой салфеткой.

В трубке не должно быть пузырьков воздуха. Если они имеются, то наклонами трубки их необходимо завести в утолщенную часть, чтобы они не мешали наблюдению.

4. Определите нулевое положение на лимбе (ф о). Для этого «полните трубку дистиллированной водой. Поместите ее в кюветное отделение. Поворотом анализатора установите зрительное поле на световое равновесие в чувствительном положении.

ПРИМЕЧАНИЕ. Вращением анализатора можно уравнивать яркости полей зрения при различных углах, но измерение следует проводить только при чувствительном положений анализатора, при котором незначительное вращение анализатора вызывает резкое нарушение равенства яркостей полей сравнения.

Снимите отсчет нулевого положения (ф о) по лимбу 5. При этом на основной шкале (левая шкала) отсчитываются целые и десятые доли градуса, а по нониусу (правая шкала) - десятые и сотые доли градуса. Цена деления нониуса 0,02°. Показаний ф о снимают не менее пяти раз и определяют среднее из них.

5. Определите угол вращения плоскости поляризаций раствором (ф i) Для этого заполните трубку раствором. Затем установите втулкой окуляр наблюдательной трубки на резкое изображение линии раздела попей сравнения. Плавным и медленным поворотом ручки анализатора установите равенство яркостей полей сравнения и снимите отсчет по шкале лимба ф i угол вращения плоскости помири >ации исследуемым раствором находится из выражении

ф i = ф i ’- ф 0 (10)

6. Подобные измерения провести для всех растворов с известной концентрацией и одного раствора с неизвестной концентрацией.

7. Построить график зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора ф= f(C).

8. Пользуясь графиком, определите постоянную удельного вращения [у].

9. Зная угол поворота ф x плоскости поляризации раствором неизвестной концентрации, определите по графику концентрацию сахара в растворе.

10. Все экспериментальные и расчетные данные занести в таблицу:

Раствор	№ изм	С, г/см 3	Ф 0 град	ф i ’ град	ф i град	[у]. (град см 3)/(г дм)	С х %
	сред

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой свет называется плоско поляризованным?

2. Какие способы поляризации естественного света Вы знаете?

3. Чем отличаются обыкновенный и необыкновенный лучи?

4. 4.Как соотносятся интенсивности поляризованного света, падающего на анализатор, и света, прошедшего через него?

5. Какова зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации и толщины слоя?

в. Чем объясняется вращение плоскости поляризации с точки зрения теории Френеля?

7. 7.Какова принципиальная схема поляриметра?

8. В чем состоит смысл полутеневого метода, используемого в поляриметре?

Литература

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- M.: Наука, 1976.

2. Савельев И В. Курс общей физики. - М.: Наука, т.2,1978.

3. Борисенко В.Е, Дерябин В.М. Оптика. Основы атомной и ядерной физики Тюмень 1968

4. Физпрактикум "Электричество и оптика" под ред. проф. В.И. Ивероновой М- Наука, 1968.

5. Описание конструкции и методики работы на поляриметре СМ-2.

ПОЛЯРИМЕТРИЯ (позднелат. polaris полярный + греч, metreo мерить, измерять) - совокупность физикохимических методов исследования, основанных на определении угла вращения плоскости поляризации проходящего через оптически активную среду поляризованного света.

П. находит широкое применение в сан.-гиг., клинических и физиол, исследованиях. Методами П. определяют наличие и концентрацию углеводов в растительном сырье, белков и аминокислот в растворах; этими методами исследуют активность ферментов, расщепляющих углеводы, и т. д.

В основе П. лежит прохождение поляризованного луча света через оптически активную среду (напр., через какую-либо биол, пробу, исследуемый р-р). При этом плоскость поляризации луча (см. Поляризация света), прошедшего через исследуемое вещество, оказывается повернутой на некоторый угол (угол вращения плоскости поляризации). По величине этого угла, а также по направлению смещения (знаку вращения) плоскости поляризации идентифицируют оптически активное вещество и определяют его концентрацию.

Для количественной оценки угла вращения плоскости поляризации используются удельное вращение [α], выражающееся формулой:

где α - угол вращения плоскости поляризации (в градусах); l - длина кюветы в дм; с - концентрация оптически активного вещества в г/мл, а также молекулярное вращение:

где М - молекулярный вес (масса) оптически активного вещества. Для характеристики оптических свойств высокомолекулярных веществ (напр., для белков или нуклеиновых к-т) используется также определение «вращения на мономерное звено или остаток» - m или R (т. e. в расчете на молекулярный вес мономерного звена или остатка). Удельное и молекулярное вращение - специфичны для каждого оптически активного соединения (зависят от структуры вещества, температуры, типа растворителя и др.).

Угол вращения плоскости поляризации зависит от длины волны проходящего света; такая зависимость носит название дисперсии оптического вращения. Показано, что каждый оптически активный хромофор молекулы в области своей полосы поглощения характеризуется специфической, так наз. аномальной дисперсией оптического вращения. Вне области полосы поглощения дисперсия оптического вращения носит название нормальной. При наличии нескольких оптически активных переходов нормальная дисперсия определяется суммой вкладов от всех хромофоров. Дисперсию оптического вращения изучают с помощью приборов -спектрополяриметров; метод изучения называется спектрополяриметрией.

Наряду с вращением плоскости поляризации падающего света любое оптически активное вещество по-разному поглощает компоненты света, поляризованные по кругу влево и вправо, т. е. обладает круговым дихроизмом. Мерой его является величина ΔЕ, вычисляемая по формуле:

ΔЕ = Е L - Е R ,

где Е L и Е R - молекулярные коэффициенты поглощения для двух компонент поляризованного света. Величина ΔЕ связана с разностью оптических плотностей для двух компонент света ΔD = D L - D R соотношением:

где с - концентрация вещества в моль/л, l - длина кюветы в см. Значения ΔE изменяются с длиной волны света и могут быть как положительными, так и отрицательными. Эта величина имеет большие значения только в узкой области частот вблизи максимума поглощения, поэтому спектр кругового дихроизма молекул, имеющих несколько хромоформных групп, обладает большей разрешающей способностью, чем спектры дисперсии оптического вращения.

Спектры кругового дихроизма изучают с помощью приборов, называемых дихрографами.

Методы измерения дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма широко применяются для изучения структуры многих биологически важных соединений, в частности вторичной и третичной структур молекул белков, конформационных изменений белков в растворах при изменении условий среды или при их взаимодействии с другими молекулами. Этими методами изучаются структура ферментов, пептидных гормонов, мембранных белков, различных белковых комплексов (напр., антиген - антитело), сложных комплексов (напр., хроматина, рибосом, вирусов и фагов), процессы нуклеиново-белкового узнавания и т. д.

Поляриметры - приборы для измерения углов вращения плоскости поляризации. Любой прибор для П. содержит источник поляризованного излучения (источник света и поляризатор) и устройство для анализа этого излучения, прошедшего через исследуемый прибор (анализатор). В простейших поляриметрах при измерении поворотом анализатора добиваются полного затемнения поля зрения. В таких поляриметрах (рис. 1) поток излучения, выходящий из источника, проходит через светофильтр, или монохроматор, через поляризирующее устройство, исследуемый образец, анализатор, жестко связанный с угломерным устройством, и попадает в зрительную трубу. Лимб угломерного устройства расположен перпендикулярно к оси вращения анализатора. Для измерения угла вращения, производимого оптически активным веществом, анализатор дважды устанавливают на одинаковую яркость поля зрения и дважды выполняют отсчеты по угломерному устройству - без исследуемого вещества между поляризатором и анализатором N0 и с исследуемым веществом (N1). Искомый угол вращения φ равен разности результатов двух отсчетов φ = N1 -N0.

Для повышения точности измерений поляриметры снабжают полу-теневыми устройствами - поляризаторами (анализаторами) особой конструкции, обеспечивающими небольшой сдвиг плоскостей поляризации в поле зрения и делящими его на два или три поля сравнения. При этом чувствительность прибора возрастает. Поляриметры, предназначенные для определения содержания сахара в растворах, называются сахариметрами, а процесс определения концентрации сахара в растворах - сахарометрией. Излучение от источника света (рис. 2) проходит через фокусирующую линзу и полу-теневой поляризатор. Анализатор жестко установлен на полутеневое равенство в нулевом положении. Для компенсации вращения, вызываемого р-ром сахара, служит компенсатор в виде плоскопараллельной пластины кристаллического кварца переменной толщины, установленной перед анализатором и состоящей из плоскопараллельной пластины правовращающего и клиньев левовращающего кварца. Угол вращения отсчитывают с помощью линейной шкалы и нониуса, отградуированных в единицах Международной сахарной шкалы. Полутеневое равенство устанавливается при наблюдении в зрительную трубу.

Применение фотоэлектрических приемников излучения в поляриметрах позволяет значительно повысить их чувствительность, отказаться от затемненных помещений, повысить скорость выполнения измерений, проводить измерения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, исследовать вещества с большой оптической плоскостью. В общем виде схема одного из фотоэлектрических поляриметров приведена на рис. 3. Поток излучения в нем от источника света проходит поляризатор, модулятор, исследуемый образец, анализатор с угломерным устройством и попадает на фотоэлектрический приемник, а затем в резонансный усилитель, настроенный на частоту модуляции, и фазочувствительный нуль-индикатор. При углах скрещения, отличных от 90°, световой поток будет иметь составляющую модуляции на частоте f (частота переменного тока, питающего модулятор), фаза к-рой зависит от направления поворота плоскости поляризации исследуемым веществом. Погрешности измерений фотоэлектрическими поляриметрами лежат в пределах 0,02° для приборов с диапазонами измерений порядка нескольких градусов.

Библиография: Веллюз Л., Легран М. и Грошан М. Оптический круговой дихроизм, пер. с англ., М., 1967; Волкова Е. А. Поляризационные измерения, М., 1974; Волькенштейн М. В. Молекулярная биофизика, с. 315, М., 1975; Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм в органической химии, под ред. Г. Снатц-ке, пер. с англ., М., 1970; Кудрявцев В. И. Автоматический сахариметр, Сахарная пром-сть, № 11, с. 14, 1953; The cell nucleus, ed. by H. Busch, v. 5’ p. 55, 99, N. Y., 1978; J i r g e n s o n s B.’ Optical activity of proteins and other mac-r o m о 1 ec u 1 e s, B. - N. Y., 1973.

И. А. Болотина; М. Я. Каабак (техн.).

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория оптики и физики атома №2(012)

РАБОТА № 8

ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА

Составили: Ульянов А.И.

Воронцова Е.Н.

Ижевск, 2010

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА

ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА

Приборы и принадлежности: 1- поляриметр, 2 - трубки с раствором сахара.

С точки зрения электромагнитной теории видимый свет представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитная волна является результатом процесса взаимного превращения переменных во времени электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна в любой момент времени характеризуется определёнными значениями и направлениями вектора Е (напряжённости электрического поля) и вектора В (индукции магнитного поля), а также направлением вектора скорости V (рис. 1). Как видно из рис.1, электромагнитные волны являются поперечными, а вектора В , Е и V взаимно перпендикулярны.

Поскольку физическое и физиологическое (на глаз человека) воздействие оказывает вектор напряженности электрического поля Е , то в дальнейшем мы будем рассматривать только вектор Е . Плоскость колебания вектора Е является плоскостью поляризации электромагнитной волны, а электромагнитная волна, в которой вектор Е колеблется в одной плоскости – плоско поляризованной. Например, плоскостью поляризации одиночной волны, представленной на рис. 1, является плоскость листа бумаги. Если смотреть на волну, приведённую на рис. 1, с направления, при котором вектор скорости направлен нас, то плоскость колебания вектора Е будет выглядеть так, как это представлено на рис. 2а . Отсюда следует, что одиночная электромагнитная волна является плоско поляризованной.

Рассмотрим с этой точки зрения естественный источник света, например, свет от лампы накаливания. Электрический ток, проходя через вольфрамовую нить лампы накаливания, передаёт свою энергию атомам вольфрама, внешние валентные электроны которых переходят в возбужденное состояние, то есть в состояние с более высокой энергией. Через короткий промежуток времени (≈ 10 -8 с) электроны из возбужденного состояния переходят в состояние с более низкой энергией с одновременным излучением порций (цугов) электромагнитных волн, которые уносят "излишек" энергии электронов. Вектор Е каждого цуга электромагнитных волн колеблется в одной плоскости. Однако плоскости колебания вектора Е различных цугов волн ориентированы в пространстве произвольным образом. Поскольку в нити накаливания лампы электромагнитные волны излучает огромное количество атомов вольфрама, то ориентация плоскостей колебания вектора Е множества электромагнитных волн в любом направлении будет равновероятна (рис. 2б ).

Такой свет называют естественным. Следовательно, в естественном свете нет каких-либо преимущественных направлений колебания вектора Е. Примером естественного света является солнечный свет, свет от лампы накаливания и других источников света, за исключением света от лазеров. Лазеры излучают плоско поляризованный свет.

Существует несколько типов приборов, с помощью которых естественный свет можно превратить в плоско поляризованный. Один из них основан на явлении двойного лучепреломления света в анизотропных кристаллах. В анизотропных кристаллах диэлектрическая проницаемость различна для разных кристаллографических направлений. А диэлектрическая проницаемость, как известно, определяет показатель преломления диэлектрической среды. В результате показатель преломления луча будет зависеть от ориентации вектора Е относительно кристаллографических направлений кристалла. При некоторой ориентации падающего луча естественного света относительно анизотропного кристалла преломлённые лучи, с взаимно перпендикулярной плоскостью поляризации, выходят из кристалла под различными углами.

Так если естественный луч света направить под прямым углом к поверхности анизотропного кристалла исландского шпата, то он разделяется на два луча (рис. 3). Один луч проходит без преломления, он называется обыкновенным (о) лучом. Второй луч испытывает в кристалле преломление и называется необыкновенным (e). Не вдаваясь в подробности этого явления, заметим, что оба вышедшие из кристалла лучи оказываются плоско поляризованными, причем плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны. На рис. 3 направление поляризации этих лучей условно показано точками и стрелочками (стрелочки иногда заменяют черточками).

Для получения плоско поляризованного света необходимо разделить лучи (о ) и (e ), вышедшие из кристалла. Этого можно достичь с помощью призмы Николя. Призма Николя (или просто николь) представляет собой кристалл исландского шпата, распиленный по меньшей диагонали и склеенный канадским бальзамом (рис. 4),

показатель преломления которого меньше, чем у исландского шпата. Грани кристалла ошлифованы так, что каждая половина николя представляет в сечении прямоугольный треугольник с острыми углами в 68 0 и 22 0 . Если естественный луч направить на николь под некоторым углом к оптической оси (О-О) кристалла, то необыкновенный луч (е ) проходит

через николь. Обыкновенный же луч (о ) сначала преломляется, а затем испытывает полное внутренне отражение, т.к. показатель преломления канадского бальзама меньше, чем исландского шпата. Боковая поверхность николя покрыта черной краской и поэтому падающий на неё луч (о ) полностью поглощается и из николя выходит, только один плоско поляризованный луч е . Таким образом, призмы Николя являются поляризаторами, которые дают плоско поляризованный свет высокого качества.

Некоторые вещества, например, раствор сахара обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными . Причина этого эффекта в том, что в некоторых сложных молекулах расположение атомов в какой-то степени напоминает правый или левый винт. Вектор Е плоско поляризованного света, проходящего через оптически активное вещество, взаимодействует с электрическим полем спиралеобразных молекул. В результате происходит вращение плоскости колебания вектора Е световой волны на некоторый угол α, как это показано на рис. 5.

Угол α может быть определён следующим образом. Известно, что интенсивность света, прошедшего через два поляроида, определяется законом Малюса: J 2 = J 1 cos 2 φ, где J 1 и J 2 - интенсивность плоско поляризованного света после первого и второго поляроида, соответственно, а φ -угол между плоскостями поляризации этих поляроидов. Если установить поляроидам угол  = 90 0 (скрещенные поляроиды), то свет через низ проходить не будет (смотри формулу закона Малюса), и если через них посмотреть на свет, то поле зрения будет темным.

При помещении между поляроидами оптически активного вещества, например, кюветы с сахаром, свет через скрещенные поляроиды начнет проходить, так как оптически активное вещество повернёт плоскость поляризации проходящего через неё света на угол α. Но если второй поляризатор (анализатор), повернуть соответствующим образом на угол α, то поляроиды снова перестанут пропускать свет. На этом принципе и основано определение угла вращения оптически активной средой плоскости поляризации поляризованного света в специальных приборах - поляриметрах.

Кроме сахара, оптически активными веществами являются камфара, скипидар, кварц и многие другие вещества. Для растворов оптически активных веществ угол поворота плоскости поляризации  пропорционален длине столба раствора ℓ и концентрации растворенного вещества С:

 = []ℓ C

В этой формуле коэффициент [] определяет удельное вращение плоскости поляризации света данным веществом. Значения [] характерны для каждого оптически активного вещества и являются табличными данными.

Зная удельное вращение раствора [], длину столба раствора ℓ и измеренное значение угла поворота плоскости поляризации , можно определять концентрацию раствора:

(1)

В настоящей работе требуется определить концентрацию раствора сахара с помощью специального прибора - поляриметра. В данной лабораторной работе может быть использовано два типа поляриметров. Вам необходимо спросить преподавателя о марке поляриметра, на котором Вы будете проводить измерения, и прочитать правила работы с этим прибором.

Поляриметрия - метод физико-химического анализа, основанный на измерении вращения плоскости линейно поляризованного света оптически активными веществами. Большая часть оптически активных веществ - это органические соединения с ассимметричным атомом углерода, т. е. с таким, единицы сродства которого насыщены четырьмя различными заместителями. Соединения асимметричных атомов четырехвалентного олова, серы, селена, кремния и пятивалентного азота также оптически активны.

Термины и обозначения

Если через слой оптически активного вещества или его раствор пропускать поляризованный луч света, то плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации или углом вращения а.

В зависимости от природы вещества, вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину.

Если плоскость поляризации вращается вправо от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество (по движению часовой стрелки), то вещество называют правовращающим и перед названием ставят знак « + » или D; если же вращение плоскости поляризации происходит влево, то вещество называют левовращающим и перед названием ставят знак «-» или L.

Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, толщины слоя вещества, через который проходит свет, температуры и длины волны света. Угол вращения прямо пропорционален толщине слоя. Влияние температуры связано, главным образом, с изменением плотности растворов и, в большинстве случаев, незначительно. Обычно определение оптического вращения проводят при 20 °С и при длине волны максимально соответствующей желтой линии D спектра натрия (589,3 нм).

Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации вычисляют так называемое удельное вращение плоскости поляризации монохроматического света, вызванное слоем вещества толщиной в 1 дм, при температуре t и концентрации активного вещества 1 г/см3. Если определение удельного вращения проводят при 20 °С и длине волны линии D спектра натрия, то его обозначают знаком [a]D20.

Для жидких индивидуальных веществ удельное вращение определяют по формуле:

где а - измеренный угол вращения, градусы; l - толщина слоя жидкости, дм; d - относительная плотность жидкости.

Для растворов удельное вращение определяют по формуле:

где С - концентрация раствора, г растворенного активного вещества на 100 см3 раствора.

Удельное вращение зависит от природы растворителя и концентрации раствора. При замене растворителя может измениться не только величина угла вращения, но и его направление. Во многих случаях удельное вращение постоянно лишь в определенном интервале концентраций. Поэтому, приводя значение удельного вращения, необходимо указывать растворитель и концентрацию испытуемого раствора.

В интервале концентраций, в котором удельное вращение постоянно, можно по углу вращения рассчитать концентрацию вещества в растворе по формуле:

Полезно построить график зависимости концентрации активного вещества от угла вращения плоскости поляризации стандартными растворами различной концентрации. При помощи этого графика в дальнейшем по полученному значению угла вращения определяют концентрацию раствора.

Поляриметрические измерения имеют широкое практическое применение. На основании определения знака и величины вращения плоскости поляризации можно судить о химическом строении и пространственной конфигурации оптически активных веществ, делать порой выводы о механизме реакции.

Поляриметрический метод давно уже является основным методом контроля в сахарной промышленности - по углу вращения плоскости поляризации света определяют содержание сахара в растворе.

Поляриметры и сахариметры

Устройство и принцип действия. Поляриметр СМ схематически изображен на рис. 191. Свет от источника 9 проходит последовательно через поляризационное устройство 7, поляриметрическую трубку 6, анализатор с устройством 5, поворачивающим плоскость поляризованного луча, и попадает в зрительную трубу 8.

Поляризационное устройство состоит из осветительной линзы, поляризатора и кварцевой пластинки, расположенной симметрично относительно поляризатора. Поляризатор и кварцевая пластинка находятся в определенном положении и крепятся жестко к оправе. Основной рабочей частью прибора является головка анализатора, состоящая из неподвижного лимба 1, вращающихся одновременно фрикциона 5 и двух нониусов 4, анализатора и зрительной трубы 8.

В трубу 8 при измерении вкладывают поляриметрическую трубку 6 с исследуемым веществом (раствором). Во избежание проникновения постороннего света, вырез в трубе закрывается вращающейся шторкой. Зрительная трубка служит для наблюдения тройного поля зрения и состоит из объектива и окуляра. Движением муфты 3 окуляр устанавливают на резкость изображения тройного поля зрения. В раковине окуляра находятся две лупы 2, которые позволяют, не меняя положение головы, отсчитывать угол вращения нониуса относительно шкалы лимба. На лимбе 1 нанесена градусная шкала от 0 до 360°. Внутри лимба на подвижной втулке, связанной с анализатором, нанесены два нониуса 4, расположенные диаметрально. Нониусы имеют по 20 делений ценой 0,05°. При больших углах вращения пользуются обоими нониусами и результатом измерения считают среднее значение из полученных отсчетов по первому и второму нониусам.

Поляриметрическая трубка 6 изготовляется из стекла. На трубке имеется выпуклость, необходимая для сбора пузырьков воздуха. На концах трубки укреплены металлические наконечники, на которые навертываются крышки, прижимающие покровные стекла. Между крышками и покровными стеклами имеются резиновые прокладки, предохраняющие от образования натяжений в стекле при завертывании крышек.

Осветитель 9 состоит из патрона, прикрепленного к кронштейну. Для регулирования освещения патрон можно перемещать вдоль кронштейна, а сам кронштейн перемещать по стойке вверх, вниз и вокруг нее. Источником света служит матовая лампа накаливания мощностью 25 Вт. Свет от лампочки проходит через специально подобранные светофильтр и поляроиды, в результате чего максимум спектрального распределения пучка соответствует желтой линии натрия.

Проведение измерений. Пустую поляриметрическую трубку вставляют в зрительную трубу, закрывают шторкой, включают осветитель в сеть и наблюдают в окуляр освещенность тройного поля. Если крайние поля неравномерно освещены, то перемещением осветителя добиваются их равномерного освещения. После установки осветителя определяют начальное положение анализатора. Перемещением муфты вдоль оси добиваются резкого изображения разделяющей линии тройного поля, наблюдаемого в окуляр. Плавно вращая анализатор с помощью фрикциона, добиваются равной затемненности изображения тройного поля (рис. 192), видимого в окуляр, которое определяет начальное положение анализатора. После установки на равную затемненность тройного поля через лупу с помощью нониуса лимба производят отсчет. Начальное положение не обязательно должно совпадать с нулевым делением градусной шкалы лимба.

Установку начального положения анализатора и отсчет делений градусной шкалы лимба следует повторить не менее 5 раз и показанием прибора считать среднее значение от полученных отсчетов.

После этого наполняют поляриметрическую трубку исследуемым раствором, для чего, отвинтив крышку с одного конца трубки, наполняют ее в вертикальном положении прозрачным раствором (мутный раствор фильтруют) до появления в верхнем конце трубки выпуклого мениска. Затем сбоку надвигают покровное стекло, накладывают резиновую прокладку и завинчивают крышку. При этом необходимо следить за тем, чтобы в трубке не оставалось пузырьков воздуха. Наружные стороны покровных стекол должны быть прозрачными и без следов жидкости, которая удаляется фильтровальной бумагой.

Наполненную поляризационную трубку вставляют в зрительную трубу и закрывают шторкой. Перемещением муфты 3 устанавливают на резкость разделяющие линии тройного поля. Затем, плавно вращая анализатор с помощью фрикциона 5, добиваются равномерной затемненности изображения тройного поля и производят отсчет.

Порядок отсчета следующий: определяют, на сколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу, затем определяют число делений от нуля нониуса до штриха нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножают полученное число делений на 0,05. Полученный результат прибавляют к первому. Разность отсчетов, соответствующих фотометрическому равновесию поля с оптически активным веществом и без него, равна углу вращения плоскости поляризации данного раствора.

Установку на равную затемненность тройного поля и отсчет необходимо производить не менее 5 раз.

Если поляриметр имеет кожух для термостатирования поляризационной трубки, то перед началом испытания раствора через кожух в течение 10 мин пропускают воду из термостата при температуре 20 ±0,1°С. В случае отсутствия кожуха следует работать в помещении при 20 ±3°С. При определении удельного вращения индивидуальной жидкости ее выдерживают в термостате при 20 ±0,1 °С в течение 30 мин.

Сахариметр универсальный СУ-3. В сахариметрах, в отличие от поляриметров, для компенсации поворота плоскости поляризованного луча исследуемым раствором используют специальные кварцевые клинья, соответственно положению которых по шкале отсчитывают значение угла вращения.

Шкала сахариметров градуирована в градусах Международной сахарной шкалы (°S). Один градус сахарной шкалы соответствует 0,26 г сахарозы в 100 см3 раствора, если измерение производится в поляриметрической трубке длиной 200 мм при 20 °С. Сто градусов сахарной шкалы (100 °S) соответствуют 34,62° угловым.

Устройство и принцип действия. Оптическая схема универсального сахариметра СУ-3 изображена на рис. 193.

Свет от источника 1 проходит через матовое стекло 2, предназначенное для рассеивания света (вместо него в оптическую систему может быть введен светофильтр). Далее световой поток проходит конденсорную линзу 3, попадает в поляризатор 4 и выходит из него плоскополяризованным. За поляризатором стоят два защитных стекла 5 и 6, между которыми установлена поляриметрическая кювета с исследуемым раствором. Подвижный кварцевый клин 7, стеклянный контрклин 8 и неподвижный кварцевый клин 9 образуют кварцевый компенсатор, который компенсирует вращение плоскости поляризации. За анализатором 10 расположена зрительная трубка, состоящая из двухлинзового объектива 11 и окуляра 12, которая сфокусирована на выходную грань поляризатора 4. При помощи зрительной трубки можно рассмотреть в увеличенном виде линию раздела поля зрения прибора.

Свет от электролампы освещает также шкалу 15 и нониус 14 с помощью отражательной призмы 17 и защитного стекла 16, рассеивающего свет. Цифры и деления нониуса и шкалы рассматриваются в увеличенном виде под лупой 13, состоящей из двух линз. По нулевому делению нониуса фиксируют значение шкалы, соответствующее состоянию одинаковой освещенности обеих половин поля зрения.

Источником света является электролампа А-10 (15 Вт, 12 В), питаемая от сети переменного тока 220 В через понижающий трансформатор 12 В, встроенный в основание прибора.

Проведение измерений. Сахариметр должен быть установлен на столе в темном лабораторном помещении со стенами, окрашенными в черный цвет, что повышает чувствительность глаза наблюдателя.

Перед началом измерений прибор необходимо заземлить при помощи винта заземления, включить в сеть и установить на нуль. Установка на нуль производится при отсутствии в камере поляриметрической кюветы. Вращая рукоятку кремальерной передачи, устанавливают однородность освещения обеих половин поля зрения. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать (рис. 194). В противном случае перемещают нониус до совмещения его нулевого деления с нулевым делением шкалы. После проверки нулевой точки шкалы можно непосредственно приступить к измерениям.

В камеру прибора вкладывают поляриметрическую кювету с испытуемым раствором. При этом изменяется однородность освещения обеих половин поля зрения. Вращая рукоятку кремальерной передачи, уравнивают освещенность обеих половин поля зрения и производят отсчет показаний с точностью до 0,1 деления шкалы при помощи нониуса. Отсчет показаний повторяют 5 раз. Результатом считают среднее арифметическое пяти измерений.

Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется рисунками. На рис. 195 слева показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету + 11,8 °S (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений, и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается восьмое деление нониуса). На том же рисунке справа показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету -3,2 °S (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на три полных деления шкалы, и в левой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается второе деление нониуса).

Для определения массового процента сахарозы в исследуемом растворе следует отсчитанные по шкале сахариметра градусы сахарной шкалы умножить на переводной коэффициент 0,260 и разделить на плотность исследуемого, раствора.

Сахариметр СУ-3 комплектуется поляриметрическими трубками длиной 100, 200 и 300 мм. Трубки длиной 100 мм применяют для окрашенных растворов и при расчетах результатов анализа значение, полученное по шкале прибора, увеличивают в два раза. Трубки длиной 400 мм применяют при исследовании растворов малой концентрации и при расчете значения по шкале прибора уменьшают в два раза.

К прибору для проверки правильности показаний прилагается контрольная трубка с двумя нормальными кварцевыми пластинками на -40 и +100 °S.

Точность показаний сахариметра с помощью контрольной трубки необходимо проверять при установившейся температуре 20 °С. В случае проверки прибора при температуре, отличающейся от 20 °С, производят пересчет по формуле:

где а20 и at - вращательная способность кварцевой пластинки при 20 °С и температуре измерения t, соответственно, °S.

Расхождение в показаниях проверяемого прибора и контрольной трубки при выверенной нулевой точке является погрешностью данного прибора.

Уход за приборами и их хранение

После окончания работы приборы и принадлежности к ним следует тщательно протереть мягкой неворсистой салфеткой; на приборы надеть чехол, а принадлежности уложить в футляр.

Хранить приборы следует в сухом и чистом помещении при температуре воздуха 10-35 °С и относительной влажности 30-80%. В воздухе помещения не должно быть вредных примесей.

Не допускается разбирать приборы и чистить оптические детали, расположенные внутри приборов.

Защитные стекла чистят при помощи деревянной палочки с намотанным на нее тонким слоем гигроскопической ваты, соблюдая осторожность, чтобы не поцарапать полированные поверхности стекол.

Поляриметр круговой СМ состоит из следующих основных узлов:

Головка анализатора (А) ;

Поляризационное устройство (П );

Осветитель (S );

Камера для кюветы с исследуемыми растворами (Т );

Анализатор изготовлен из поляроидной пленки. Угол поворота анализатора отсчитывается по лимбу в градусах и с помощью двух нониусов, цена деления каждого нониуса 0,05°.

Поляризационное устройство состоит из осветительной линзы поляризатора и кварцевой пластинки, кварцевая пластинка берется толщиной в 1мм и располагается симметрично относительно поляризатора.

Принцип действия прибора

В круговом поляриметре СМ применен принцип уравнивания окраски разделенного на три части поля зрения. Разделение поля зрения на три части осуществлено введением в оптическую систему прибора кварцевой пластинки, которая занимает только среднюю часть поля зрения. Уравнивание полей происходит вблизи полного затемнения поля, что соответствует почти полному скрещиванию поляризатора и анализатора.

Свет от матовой электрической лампы, пройдя через конденсатор и поляризатор, средней частью пучка проходит через кварцевую пластинку, оранжевое защитное стекло и анализатор, а двумя крайними частями пучка – только через стекло и анализатор.

Вид поля зрения прибора СМ (рис.4). Уравнивание тройного поля зрения производится путем вращения анализатора вокруг горизонтальной оси.

Вид поля зрения

Если первоначально уравнять тройное поле зрения (отсутствует разделение окружности на сектора по цвету), а затем между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически активным раствором (вращающим плоскость поляризации), то равенство окраски всех частей поля зрения нарушится. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором.

Следовательно, разностью двух отсчетов, соответствующих фотометрическому равновесию поля с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором или жидкостью.

Порядок выполнения работы

Поместить в поляриметр, пустую кювету, закрыть трубку поляриметра шторкой, включить осветитель. С помощью фрикциона плавным вращением анализатора получить тройное поле рис.4а или 4б. Добиться перемещением муфты, вдоль оси окуляра, резкого изображения линий, разделяющих поля зрения. Положение а – соответствует скрещенному расположению плоскостей колебаний анализатора и поляризатора; положение б – соответствует параллельному расположению плоскостей колебаний анализатора и поляризатора.

Поместить перед осветителем один из светофильтров (красный) и наблюдать в окуляр тройное поле (перемещением муфты вдоль оси окуляра добиться резкого изображения линий разделяющих поля).

Плавным вращением анализатора с помощью фрикциона от положения а или от положения б добиться равномерного поля зрения находящегося между положениями а и б . Заметить нулевое положение анализатора по нониусу (принять его за начало отсчета при дальнейших измерениях), взяв его как среднее из трех измерений.

Поместить в поляриметр кювету с водным раствором сахара. При этом нарушится равномерность окраски поля зрения.

Плавным вращением анализатора с помощью фрикциона снова добиться равномерной окраски поля зрения.

Определить угол вращения плоскости поляризации, взяв его как разность между вторым отсчетом, соответствующим равномерной окраске, с водным раствором сахара и первым без раствора (нулевое положение).

Последовательно устанавливая перед осветителем светофильтры, (светофильтры устанавливать в направлении уменьшения длины волны) добиваясь равномерной окраски поля плавным вращением анализатора с помощью фрикциона. Определить угол вращения плоскости поляризации для всех указанных цветов.

Данные занести в таблицу (таблица рисуется произвольно) и построить график φ = f(λ) .

Сделать соответствующий вывод.