Ćwiczenie nr O8. Pomiar skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w roztworze cukru przy pomocy polarymetru.
	Ocena z kolokwium:	Ocena ze sprawozdania:	Ocena końcowa:

I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Polaryzacja światła

Fale świetlne są falami elektromagnetycznymi poprzecznymi, co pozwala na ich polaryzację.

W świetle naturalnym (niespolaryzowanym) drgania wektora świetlnego (wektora elektrycznego) zachodzą we wszystkich kierunkach, prostopadle do wektora prędkości rozchodzenia się światła. Najogólniejszym stanem całkowitej polaryzacji światła jest polaryzacja eliptyczna, a jej szczególnymi przypadkami - polaryzacja liniowa i kołowa. W świetle spolaryzowanym eliptycznie końce wektorów elektrycznego E i magnetycznego B, zakreślają eliptyczne linie śrubowe. Falę spolaryzowaną eliptycznie można przedstawić jako sumę dwóch fal spolaryzowanych liniowo, w których drgania odbywają się prostopadle do siebie. Drgania wektorów elektrycznych tych fal można przedstawić

E₁= E₁^o sin ωt i E₂=E₂^osin (ωt+ϕ)

gdzie E₁^o, E₂^o - amplitudy fal

ω - częstość kołowa

ϕ - różnica faz.

Gdy ϕ=0 lub ϕ=nπ, (n - liczba całkowita) polaryzacja eliptyczna przechodzi w liniową, a gdy ϕ=l/2π (l - liczba całkowita nieparzysta), E₁^o=E₂^o polaryzacja eliptyczna przechodzi w polaryzację kołową. Światło naturalne pochodzi ze źródeł elementarnych z których wysyłane światło posiada drgania wektora elektrycznego we wszystkich kierunkach jednakowo prawdopodobne, mówimy że światło takie jest niespolaryzowane. Światło jest częściowo spolaryzowane jeżeli istnieje kierunek bardziej prawdopodobny drgań wektora elektrycznego.

W fali spolaryzowanej liniowo rys. 1 drgania wektora elektrycznego są równoległe względem siebie we wszystkich punktach fali i tworzą z kierunkiem ruchu fali płaszczyznę drgań zwaną płaszczyzną polaryzacji. Światło ulega polaryzacji przy odbiciu, załamaniu rys 2 i przy przejściu przez ośrodki anizotropowe rys 3.

Przy odbiciu światła od dielektryków, kąt padania jest kątem całkowitej polaryzacji α gdy wiązka odbita i załamana tworzą kąt prosty. Promień odbity i załamany są spolaryzowane w płaszczyznach prostopadłych do siebie.

Światło ulega polaryzacji przy przejściu przez ośrodki anizotropowe np.; szpat islandzki, turmalin rys 3, oraz specjalnie spreparowane polaroidy.

Na rys 3a światło niespolaryzowane po przejściu przez płytkę I turmalinu ulega polaryzacji i przechodzi przez płytkę II, której płaszczyzna polaryzacji jest równoległa do płaszczyzny polaryzacji płytki I. W przykładzie 3b płaszczyzna polaryzacji płytki II jest skręcona o 90^o co powoduje że światło nie przechodzi przez płytkę II.

Nikol jest to kryształ szpatu islandzkiego, przecięty wzdłuż przekątnej, a następnie sklejony balsamem kanadyjskim tak, że na wyjściu nikola otrzymywane jest światło spolaryzowane. Jeśli skrzyżujemy dwa nikole to wiązka światła ulegnie wygaszeniu. Jeżeli umieści się między nikolami substancję optycznie czynną, to pole widzenia ulegnie rozjaśnieniu. Ponowne zaciemnienie można uzyskać przez obrót drugiego nikola (analizatora) o pewien kąt.

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła

W 1811 roku Dominique Arago stwierdził, że płytka kwarcowa powoduje skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła przechodzącego przez tą płytkę. W 1815 roku Jean Baptist Biot odkrył, że naturalnie występujące związki organiczne takie jak cukier, terpentyna, i kwas winny są aktywne optycznie tj. skręcają płaszczyznę polaryzacji światła.

Płaszczyzna polaryzacji światła ulega skręceniu przy przejściu światła przez ośrodki optycznie czynne takie jak: glukoza, fruktoza, sacharoza, większość olejków eterycznych, białka, alkaloidy. Istnieją substancje, które są optycznie czynne w stanie krystalicznym, a roztwory tych substancji nie wykazują tej właściwości, oraz substancje, które w stanie ciekłym i gazowym, a także w roztworach są optycznie czynne.

W 1848 roku Louis Pasteur badając sól kwasu winowego stwierdził, że optycznie nieczynny winian sodowo-amonowy występuje jako mieszanina dwóch rodzajów kryształów będących wzajemnymi lustrzanymi odbiciami o aktywności optycznej prawo i lewoskrętnej.

W chemii organicznej wyodrębnił się dział chemii organicznej, który dotyczy trójwymiarowej struktury cząsteczki nazywany stereochemią. Związki o takim samym wzorze sumarycznym i różniące się właściwościami chemicznymi nazywa się izomerami, a izomery różniące się rozmieszczeniem atomów w przestrzeni, nazywa się stereoizomerami.

Stereoizomery będące swoim lustrzanym odbiciem nazywane są enancjomerami, pozostałe diastereoizomerami.

Cząsteczki wykazujące aktywność optyczną nie mogą się pokrywać z ich lustrzanymi odbiciami. Taka asymetria atomów w cząsteczce nazywana jest chiralnością.

Dla roztworów posiadających optycznie czynne substancje, kąt ϕ skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła jest proporcjonalny do stężenia c, oraz długości l drogi światła w roztworze.

ϕ=[α] l c

gdzie [α] - współczynnik proporcjonalności, zwany skręceniem właściwym, zależny od rodzaju substancji rozpuszczonej, temperatury, rozpuszczalnika i długości fali światła. W ten sposób znając wielkość [α] po zmierzeniu kąta α, można znaleźć stężenie c.

Polarymetry

Polarymetr jest przyrządem optycznym stosowanym do wyznaczania stężenia niektórych substancji chemicznych, identyfikacji związków organicznych, na podstawie skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego (aktywność optyczna). Polarymetry są stosowane do określania stężenia cukrów (tzw. sacharymetry). Najczęściej stosuje się do pomiaru kąta skręcenia tzw. przyrządy półcieniowe (płytki kwarcowe). Pozwalają one określić z dużą dokładnością kąty skręcenia przy wykorzystaniu faktu, że oko może z dużą dokładnością ocenić jednakową jasność sąsiadujących ze sobą pól. Polarymetry różnią w swojej budowie sposobem pomiaru kąta i rozwiązaniem oceny jasności pól.

Gdyby nie było płytki kwarcowej, to przy obrocie analizatora, zmieniałaby się jasność całego pola, gdy polaryzator i analizator miałyby ustawione prostopadle płaszczyzny polaryzacji, pole widzenia byłoby całkowicie zaciemnione. W przypadku zaś równoległego ustawienia płaszczyzn polaryzacji, pole widzenia byłoby całkowicie rozjaśnione. Obecność płytki kwarcowej powoduje, że pole widzenia zostaje podzielone na dwie części i przy obrocie analizatora zmienia się względne oświetlenie obu połówek rys. 5a.

Przy pomiarach należy ustawić analizator w takim położeniu, aby obie połówki pola widzenia były jednakowo zaciemnione rys. 5b.

II CZĘŚĆ OBLICZENIOWA

Tabela wyników

c [%]	d [dm]	a	a śr	 = a śr - a0 śr	/d
10	2,1	41,8	41,33	40,66	19,36
							40,9
							41,3
		15				2,1	68,0	69,00	68,33	32,54
							69,9
							69,1
		20				2,1	81,2	81,90	81,23	38,68
							82,7
							81,8
		40				1,1	88,3	88,87	88,20	80,18
							88,2
							90,1
		X				1,1	18,5	18,90	18,23	16,57
							19,4
							18,8

Stosując metodę regresji liniowej wyznaczamy k

k = 1,99 ± 0,09

jednostka:

odczytujemy z wykresu c_x

c_x = 8 %

WNIOSKI

Skręcalność właściwa cukru k wynosi 1,99. Wartość ta jest obarczona stosunkowo niedużą niepewnością (Bp ok. 4,5%), pomiar można więc uznać za prawidłowy.

Nieznaną wartość stężenia c_x odczytano z wykresu, co może obarczać wynik błędem. Skale wykresu są jednak w miarę odpowiednio dobrane i prawdziwa wartość szukanego stężenia niewiele może się różnić od otrzymanego wyniku.

Rys. 1

Rys 2

Rys 3

Rys. 5

a0	a0 śr
0,7	0,67
0,8
0,5

Cx

16,5

---