С помощью сахариметра

С помощью сахариметра»

Тамбов 2003

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА

С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА

Цель работы: определить постоянную удельного вращения и неизвестную концентрацию раствора сахара.

Приборы и принадлежности: сахариметр универсальный СУ-3, кювета с раствором сахара известной концентрации, кювета с раствором сахара неизвестной концентрации.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь), жидкости

(скипидар, никотин, нефть) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты, белков).

В случае раствора, угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине (L) проходимого светом слоя и концентрации активного вещества в растворе (c):

j = с L,

где - величина, называемая постоянной удельного вращения или просто удельным вращением. Эта величина сильно зависит от длины волны света, определяется опытным путем и для разных веществ приводится в справочных таблицах.

Для измерения угла поворота плоскости поляризации света при прохождении через вещество применяются специальные приборы - поляриметры.

С их помощью можно весьма точно и быстро определять толщину оптически активного вещества и его концентрацию. Поляриметры, используемые для измерения концентрации сахара, называются сахариметрами.

Рассмотрим оптическую схему и принцип действия полутеневого сахариметра (рис.1).

Свет от источника 1 (лампа накаливания) делится на два пучка. Один из них (на рис. 1 показан штрихпунктиром) служит для освещения шкалы 2 и нониуса 3 прибора, которые рассматриваются через окуляр 4. Второй пучок света проходит через светофильтр 5, выделяющий красную область спектра. Система линз 6 (конденсор) формирует параллельный пучок света, который поступает на вход поляризатора 7 (призма Николя). Получающийся плоскополяризованый свет проходит последовательно через кювету с раствором сахара 8, компенсатор 9 (клин переменной толщины, изготовленный из правовращающего кварца) и попадает на вход анализатора 10 (призма Николя или поляроидная пленка). Визуальное наблюдение осуществляется через окуляр зрительной трубы 11.

Если главные плоскости пропускания поляризатора и анализатора образуют прямой угол, а оптически активное вещество между ними отсутствует то свет через такую систему не пройдет и поле зрения трубы будет темным. В присутствии активного вещества плоскость поляризации повернется на некоторый угол и, в соответствии с законом Малюса, интенсивность света за анализатором уже не будет равной нулю, при этом поле зрения просветляется. Чтобы вновь добиться полного затемнения, необходимо повернуть анализатор на угол равный углу поворота плоскости поляризации света после прохождения через активное вещество. Однако человеческий глаз не может достаточно точно оценить момент наибольшего затенения. Поэтому на практике применяется так называемый полутеневой метод. Его идея основана на следующем очевидном соображении. Если некоторая величина незначительно меняется вблизи своего максимума или минимума то, для того, чтобы более точно определить положение соответствующего экстремума надо эту величину (или что-то связанное с ней) заставить изменятся сильнее.

С этой целью, в полутеневом сахариметре, обычная призма Николя, используемая в качестве анализатора (или поляризатора), разрезана вдоль главной плоскости пропускания на две равные части. Полученные грани сошлифованы на клин под небольшим углом b = 2 - 2,5⁰, а затем обе половинки вновь склеены. При этом плоскости пропускания П₁ и П₂ обоих половинок анализатора образуют между собой малый угол 2b (рис. 2), а круглое поле зрения будет разделено пополам вертикальной линией (рис. 3). Если плоскость поляризации РР света, выходящего из поляризатора, перпендикулярна биссектрисе угла между главными плоскостями половинок анализатора П₁ и П₂, то обе половинки поля зрения освещены одинаково:

I₁ = I₂ = I₀ Sin² b,

где I₀ - интенсивность плоскополяризованного света падающего на анализатор, а I₁ и I₂ - интенсивности света, пропускаемые соответственно половинками анализатора, то есть поле зрения уже не будет полностью темным, а полутемным (рис. 3 б).

Если плоскость РР повернется на угол j в положение Р₁P₁, то интенсивности света выходящего из обоих половинок анализатора станут неодинаковыми:

I₁ = I₀ Sin² (b + j), а I₂ = I₀ Sin² (b - j).

Таким образом, даже небольшой поворот плоскости поляризации света OР после прохождения через активное вещество, приводит к значительному нарушению равенства освещенностей обоих половин поля зрения (рис.3 a.,в).

Если после установки прибора на равенство освещенностей двух половин анализатора поместить между поляризатором и анализатором исследуемое вещество, то обе половины поля зрения будут освещены не одинаково. Для восстановления равенства освещенностей анализатор надо повернуть на угол j, равный углу поворота плоскости поляризации активным веществом.

в)

В сахариметре анализатор не вращается. Освещенность уравнивают клиновидным кварцевым компенсатором. Кварц является также оптически активным веществом, который вращает плоскость поляризации света, проходящего через него, в противоположном, чем раствор сахара, направлении. Смещая кварцевый клин с помощью микрометрического винта (кремальерная передача) перпендикулярно лучу, т.е меняя толщину его рабочей части, можно скомпенсировать поворот плоскости поляризации раствором сахара и восстановить равную освещенность полей зрения. Линейное перемещение клина пропорционально углу поворота плоскости поляризации, поэтому прибор проградуирован в так называемых градусах сахарной шкалы.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В работе используется универсальный сахариметр СУ-3 (оптическая схема показана на рис. 1) и входящие в его комплект кюветы с раствором сахара известной и неизвестной концентрации. Длина каждой кюветы равна 2 дм. Поле зрения нижнего окуляра разделено пополам вертикальной линией. Верхний окуляр служит для снятия отсчета угла поворота плоскости поляризации раствором сахара. Оба окуляра позволяют фокусировать наблюдаемые в них изображения. Используя нониус верхнего окуляра, можно измерять угол с точность до 0,1⁰ (аналогичный принцип используется в штангенциркуле).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включите сахариметр в сеть переменного тока с напряжением 220 В.

2. Настройте оба окуляра на резкость, при этом: в нижнем окуляре должна быть четко видна граница полей зрения, а в верхнем - деления основной шкалы и нониуса.

3. Снимите нулевой отсчет. Для этого, не вставляя в прибор кювету с раствором сахара, с помощью ручки кремальерной передачи добейтесь равенства освещенностей обеих половин поля зрения нижнего окуляра. Отчет угла j_0i произведите с помощью верхнего окуляра. Опыт выполните 5 раз и результаты занесите в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п			_ср.	_ср.	Е₀, %

4. Вставьте в прибор кювету с раствором сахара известной концентрации С₁.

Произведите 5 опытов аналогично пункту 3. Полученные значения углов j_1i занесите в таблицу 2.

Таблица 2

№ п/п			_ср.	_ср.	Е₁, %

5. Вставьте в прибор кювету с раствором сахара неизвестной концентрации С_х. Произведите 5 опытов аналогично пункту 3. Полученные значения углов j_2i занесите в таблицу 3

Таблица 3