Ćwiczenie 26
Wyznaczanie stężenia roztworu cukru przy
pomocy polarymetru
Uporządkowanie wektora pola elektrycznego w jednej płaszczyźnie
powoduje polaryzację światła. Światło jest spolaryzowane liniowo gdy drgania
wektora pola elektrycznego
we wszystkich falach składowych odbywają się
tylko w jednej płaszczyźnie, w tym samym kierunku.
Niektóre kryształy i ciecze oraz roztwory substancji optycznie czynnych
powodują skręcenie płaszczyzny polaryzacji przechodzącej przez nie wiązki
światła liniowo spolaryzowanego. Wartość kąta skręcenia płaszczyzny
polaryzacji jest proporcjonalna do długości drogi (l) przebytej przez światło w
ośrodku aktywnym.
Mierzenie zmian polaryzacji nazywane jest polary
metrią , a urządzenie
służące do pomiarów polarymetrem.
Polarymetr budowa:
W polarymetrach kołowych mierzy się kąt o jaki (po wprowadzeniu substancji
optycznie czynnej między polaryzator i analizator) należy obrócić analizator,
aby ponownie uzyskać obraz pierwotny, a tym samym kąt [α] o jaki substancja
optycznie czynna skręciła płaszczyznę polaryzacji światła.
Zasada pomiaru skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego:
Polarymetr składa się z układu dwóch nikoli – polaryzatora (P) i analizatora
(A)
Światło monochromatyczne pada na polaryzator (P). Dla zwiększenia
dokładności pomiarów bezpośrednio za dużym nikolem (P) umieszczone są
dwa półpryzmaty (p
1
) i (p
2
) tak, by ich płaszczyzny polaryzacji różniły się o
niewielki kąt (ok.4°) od płaszczyzny głównej polaryzatora (P), co powoduje, że
dzielą one pole widzenia na trzy części.
Po przejściu przez polaryzator (P) światło przechodzi przez wypełnioną cieczą
rurkę polarymetryczną (), następnie przez roztwór badany trafia do
analizatora (A
) połączonego z tarczą kołową.
Na tarczy znajduje się podziałka kątowa. Obrót tarczy powoduje obrót
analizatora. Kąt obrotu odczytuje się na skali. Przyrząd jest wyregulowany w
t
aki sposób, że bez cieczy optycznie czynnej (ok. 0° na podziałce), trzy części
pola widzenia są jednakowo oświetlone. Jeżeli pomiędzy polaryzatorem i
analizatorem umieścimy roztwór optycznie czynny, czyli wykazujący zdolność
skręcania płaszczyzny polaryzacji (np. roztwór cukru, białek czy niektórych
kwasów organicznych), to nastąpi zmiana intensywności naświetlenia pola
widzenia. Wstawienie do aparatu rurki polarymetrycznej wypełnionej
substancją lewoskrętną powoduje zaciemnienie środkowej części pola
widz
enia, natomiast z substancja prawoskrętną rozjaśnienie.
Schemat obrazu widzianego w czasie obrotu analizatora
A
– równa jasność wszystkich części pola widzenia (stan w którym należy
odczytać kąt skręcenia [α])
B
– zaciemnione części zewnętrzne pola widzenia
C
– zaciemniony środek pola widzenia
W celu odczytania kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez badaną
substancję należy obracać pokrętłem tarczy do chwili uzyskania pierwotnej
jasności wszystkich części pola widzenia. Wartość kąta o jaki został obrócony
analizator, a tym samym kąta o jaki dana substancja skręciła płaszczyznę
polaryzacji odczytujemy z tarczy.
Wobec tego że współczynnik proporcjonalności k w równaniu (1)
zależny jest od długości fali światła, przed polaryzatorem umieszczony jest filtr
(F
), pochłaniający krótkofalowe składniki światła białego.
Wielkość kąta α skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła, przechodzącego
przez roztwór cukru jest proporcjonalna do stężenia roztworu c oraz do
grubości warstwy roztworu l:
gdzie : k-
skręcalność właściwa danej substancji, zależna od rodzaju roztworu
, jego temperatury i długości fali użytego światła.
Kąt α odczytujemy na skali polarymetru . Znając długość rurki zawierającej
badany roztwór [l] oraz skręcalność właściwą [k] rozpuszczonej substancji
możemy wyliczyć stężenie tej substancji korzystając ze wzoru :
Cel ćwiczenia:
1. oznaczenie skręcalności właściwej roztworu cukru
2. oz
naczenie nieznanego stężenia roztworu cukru
Kolejność czynności:
1. Wyznaczyć z równania (1) współczynnik k i określić jego jednostkę (w
układzie SI)
2. Przygotować 50 ml roztworu glukozy 6% i 12%. Wyrażony w procentach
wagowo-
objętościowch tzn. x% = x g substancji w 100ml roztworu.
3. Włączyć polarymetr odczekać ok. 5 minut do uzyskania żółtego światła
przez lampę.
4. Zapoznać się z budową polarymetru. Obracając pokrętłem tarczy ustawić
na skali np. (10°) i( -10°) (50°) i (–50°) zaobserwować zmiany w oświetleniu
trzech części pola widzenia.
5. Napełnić szklaną rurkę polarymetru wodą destylowaną. Wodę wlewamy do
pełna w ten sposób , aby uniknąć pęcherzyków powietrza (z meniskiem
wypukłym).
6. Ustawić położenie zerowe polarymetru dla wody – obracając analizatorem
sprowadzamy części pola widzenia do jednakowego oświetlenia – odpowiada
to równoległemu położeniu płaszczyzn polaryzacji polaryzatora i analizatora.
Dla wody temu położeniu odpowiada kąt α
0
= ok. 0
°
.
UWAGA
: wszystkie pomiary kąta skręcenia należy dokonywać trzykrotnie,
przez każdorazowe rozregulowanie układu a następnie powrót do jednakowo
oświetlonych części pola widzenia. Do obliczeń stosować będziemy średnią
arytmetyczną z trzech pomiarów.
7. Gotowym roztworem 6% napełnić szklane rurki o długości l
1
i l
2
.
8. Rurkę z roztworem umieścić w polarymetrze i obracając analizator
sprowadzić położenie nikoli do jednakowego oświetlenia części pola widzenia
9. Odczytać kąt a o jaki skręciła się płaszczyzna polaryzacji po przejściu przez
r
oztwór o znanym stężeniu. Dla rurki o długości l
1
a następnie l
2
10. Analogicznie jak w punkcie 7 znajdujemy kat skręcenia dla roztworu 12% i
dla roztworu o nieznanym stężeniu.
11. Wyniki umieścić w tabelce.
12. Obliczyć kąt średni α skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla każdego
roztworu.
13.
Wyznaczyć stężenie nieznanego roztworu.
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Tabelę pomiarów
2. Obliczenia wartości [k] dla poszczególnych uśrednionych kątów [α]
3. Uśrednioną wartość [k]
4. Rachunek p
ozwalający podać wartości skręcalności właściwej glukozy k
oraz wartość szukanego stężenia roztworu glukozy C
x
w jednostkach układu
SI
Literatura:
1. Fizyka Maria Kapuścińska
2. Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki p/red Bolesława Kędzi
3. Obliczenia biochemiczne Alojzy Zgirski, Roman Gonko
4. Instrumentalne metody analityczne E. Szyszko
Wymagane wiadomości teoretyczne:
1. Zjawisko polaryzacji światła i pojęcie płaszczyzny polaryzacji
2. Zjawiska w których światło ulega polaryzacji liniowej:
a) odbicie od powierzchni dielektryka(kąt Brewstera)
b) podwójne załamanie
c) dichroizm liniowy
d) rozproszenie światła
3. Pryzmat Nikola , promień zwyczajny i nadzwyczajny
4. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji Zasada działania polarymetru
5. Zastosowanie polarymetrii
6
. Substancje optycznie czynne, skręcalność właściwa