Определение концентрации водных

РАСТВОРОВ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

  Цель работы: Изучить явление поляризации света, ознакомиться со свойствами оптически активных веществ, определить концентрацию сахара в водном растворе с помощью полутеневого сахариметра.

ВВЕДЕНИЕ

 

  Свет представляет собой электромагнитные волны, являющиеся поперечными: вектор напряжённости электрического поля  и вектор напряженности магнитного поля  взаимно перпендикулярны и располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (лучу).

  Химическое и биологическое действие света связано с вектором напряженности , вектор напряжённости магнитного поля играет малую роль, поэтому вектор напряжённости электрического поля называют световым.

  Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых независимо друг от друга множеством атомов и молекул, с разными фазами и с различными равновероятными направлениями вектора . При некоторых условиях возможно получить такое поведение вектора , когда за период колебаний конец этого вектора описывает замкнутую линию - эллипс, круг или колеблется вдоль прямой. Такой свет называется поляризованным, а процесс упорядочения колебаний светового вектора каким либо образом называется по-

ляризацией света. В зависимости от того, какую линию описывает конец вектора , различают эллиптически поляризованный, циркулярно поляризованный и линейно поляризованный свет. Устройства, поляризующие свет, называются поляризаторами.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но имеется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которым он и обнаруживается. Получение поляризованного света из естественного возможно при разнообразных физических эффектах прохождении света через анизотропные среды, отражении от поверхности диэлектриков в др. Плоскость колебаний электрического вектора  в волне, прошедшей через поляризатор, называется плоскостью поляризации.

 

                                                

                                                                       

 

 

Рис.1. Прохождение света через поляризатор (П) и анализатор (А).

 

  Всякий поляризатор может быть использован для исследования поляризованного света, т.е. в качестве анализатора. Пусть на анализатор падает линейно поляризованная волна (волна, прошедшая через поляризатор) с амплитудой напряжённости электрического поля .

Амплитуда электрического вектора, прошедшего через анализатор, равна (рис.1). В световой волне на выходе из анализатора амплитуда напряжённости электрического поля равна: , где j - угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора. Тогда для интенсивности света:

                                                                          (1)

Соотношение (1) отражает закон Малюса.

Некоторые кристаллы и растворы органических соединений обладают свойством поворачивать плоскость поляризации луча, проходящего через них. Вещества, вращающие плоскость поляризации, называются оптически активными. Существует две модификации оптически активных веществ: правовращающая, когда плоскость поляризации   поворачивается   вправо – для наблюдателя,  смотрящего

 

навстречу лучу, и левовращающая, когда плоскость поляризации поворачивается влево.

Опыт показывает, что для данной длины волны угол поворота плоскости поляризации j пропорционален толщине слоя вещества d. В твердых телах: , где a - постоянная вращения; d - длина пути света, пройденного в оптически активном веществе. В водных растворах органических веществ: , где [a] - удельное вращение или удельная вращательная способность раствора, измеряемая в град×м² ¤ кг, С - массовая концентрация оптически активного вещества в растворе.

Примером активного кристаллического вещества служит кварц, а для растворов - сахар. Явление вращения плоскости поляризации находит практическое применение при измерении процентного содержания сахара в растворе. Такие приборы называются сахариметрами.

Концентрация активного вещества в растворе определяется по формуле:

                               , кг/м³ .                                                    (2)

Таким образом, при известных [a] и d можно определить концентрацию сахара в растворе, предварительно измерив угол поворота плоскости поляризации.

Наблюдать вращение плоскости поляризации можно, поместив между скрещенными поляризатором и анализатором вещество, вращающее плоскость поляризации. При этом свет пройдёт через скрещенные анализатор и поляризатор, тогда как в отсутствии активного вещества он пройти не может (см. закон Малюса).

  Поворотом анализатора можно добиться восстановления темноты, причем угол, на который поворачивается при этом плоскость поляризации анализатора, будет равен углу поворота плоскости поляризации света при прохождении через оптически активное вещество.

В описанном случае сложно точно измерить угол поворота плоскости поляризации. Глаз не способен заметить незначительных изменений в интенсивности света при небольших углах поворота анализатора, установка «на темноту» не может быть произведена точно.

  Более совершенны в этом отношении полутеневые сахариметры. В таких сахариметрах поле зрения разделено пополам, при некоторых положениях анализатора, соответствующих углу поворота j, освещённость обеих половин зрения становится одинаковой и минимальной, граница между ними исчезает. Незначительный поворот анализатора вызывает потемнение одной половины и просветление другой, что легко фиксируется визуально.