Sprawozdanie z ćwiczenia nr 82 :

WYZNACZANIE STĘŻENIA ROZTWORU CUKRU ZA POMOCĄ SACHARYMETRU. data wyk. ćw.: 11-04-97

1.Spis przyrządów:

- Sacharymetr.

- Rurki z roztworami.

- Próbki z płytkami kwarcowymi.

2. Wstęp.

Fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, w których wektory pola elektrycznego E i H drgają w płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Są to więc fale poprzeczne. Przyjęto oznaczenie fali świetlnej jako jednego wektora elektrycznego E, ponieważ wywołuje on wrażenia wzrokowe. Światło najczęściej występuje w postaci niespolaryzowanej - tzn. w takiej w której drgania wektora E zachodzą w dowolnych płaszczyznach i nie ma żadnej korelacji między drganiami zachodzącymi w różnych płaszczyznach.

W pewnych przypadkach możemy otrzymać światło spolaryzowane. Najprostszym typem polaryzacji jest polaryzacja liniowa, istnieje także polaryzacja kołowa i eliptyczna. Światło spolaryzowane możemy uzyskiwać na kilka sposobów: przez odbicie, załamania, wykorzystanie zjawiska selektywnego pochłaniania i zjawiska dwójłomności.

W ćwiczeniu do polaryzacji światła i jego analizy używa się nikoli. Nikol jest to kryształ szpatu islandzkiego, wyciętego w graniastosłup foremny o podstawie równoległoboka

Kryształ ten przecina się wzdłuż dłuższej przekątnej, a następnie skleja balsamem kanadyjskim. Promień światła padający na nikol ulega rozszczepieniu na promień zwyczajny i promień nadzwyczajny. promień zwyczajny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, natomiast promień nadzwyczajny przechodzi przez nikol nie zmieniając kierunku. Na wyjściu nikola otrzymujemy światło spolaryzowane liniowo. Jeżeli wiązkę światła przepuścimy przez dwa skrzyżowane nikole, to ulegnie całkowitemu wygaszeniu. Jeżeli między skrzyżowanymi nikolami umieścimy substancję krystaliczną (aktywną optycznie), to zwykle pole widzenia ulegnie rozjaśnieniu. Ponowne zaciemnienie można uzyskać poprzez obrót drugiego nikola o pewien kąt. Zjawisko to wykorzystane jest w ćwiczeniu.

Istnieją substancje, które skręcają płaszczyznę polaryzacji, gdy są w postaci krystalicznej (kwarc), są ciała których roztwory (roztwór cukru w wodzie) skręcają płaszczyznę polaryzacji. W tym przypadku aktywność optyczna jest uwarunkowana asymetrią w budowie cząsteczek.

Kąt skręcania płaszczyzny polaryzacji zależy od rodzaju ciała, stężenia (w roztworach) oraz grubości warstwy skręcającej. Dla roztworów wyznaczono doświadczalnie zależność:

α = α ₀⋅ c⋅ d, gdzie c- stężenie roztworu, d - grubość warstwy roztworu, α ₀ - właściwa zdolność skręcania, α - kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

3. Wzory i przykładowe obliczenia.

3.1 Wyznaczanie stężenia roztworów.

Nieznane stężenie roztworu wyznaczamy z wzoru:

C_n = | (α _n - α ₀)/(α ₁ - α ₀) | ⋅ C₁

gdzie: α _n - kąt skręcenia badanego roztworu

α ₀ - kąt skręcenia wody destylowanej

α ₁ - kąt skręcenia znanego roztworu

C₁ - stężenie znanego roztworu

przykład:α _n = 91.1 ^o, α ₀ = 82.85 ^o , α₁ = 102.33 ^o, C₁ = 15 %

C_n = |(91.1 - 82.85)/(102.33 - 82.85)|⋅ 15 = 6.35 [%]

3.2 Błąd stężenia roztworu wyznaczamy przy pomocy różniczki całkowitej.

Δ = [(Δα _n )/(α ₁ - α ₀)] + [(α ₁ + α ₀)⋅ Δα₁/(α ₁ - α ₀)²]

przykład: dla wartości jak wyżej , Δα _n = Δα ₁ = 0.01 (wynika z konstrukcji sacharymetru)

Δ =[0.01/(91.1 - 82.85)] + [(91.1 + 82.85)⋅0.01/(91.1 - 82.85)² = 0.05 [%]

5. Wnioski.

Pomiar stężenia roztworu za pomocą sacharymetru jest pomiarem subiektywnym, indywidualne cechy postrzegania oka ludzkiego mogą powodować rozbieżności w ustawieniu równego poziomu zaciemnienia obu połówek polaryzatora, co w wyniku może powodować różnice w odczytanych z przyrządu wartości kątów. Dla wyeliminowania błędów w odczycie w urządzeniu zastosowano podwójny odczyt wartości kąta, skale kątowe były przesunięte o 180^o względem siebie (w swoim ćwiczeniu przy opracowywaniu wyników korzystałem ze skali prawej). Odczytane wartości kątów obarczone były błędem ±0.01^o, wynikającym z konstrukcji urządzenia, odczyt odbywał się na zasadzie podobnej do odczytu z suwmiarki.

Błąd stężenia roztworu jest również niewielki wynosi ±0.05% (symbol „%” jest w tym przypadku jednostką mierzonej wartości, a nie oznaczeniem błędy względnego), co daje nam dużą dokładność w wyznaczaniu stężenia, metoda pomiaru jest jednak czasochłonna i uciążliwa ( bardzo męczy się wzrok).

Przy pomiarze aktywności optycznej płytek kwarcowych, badałem zmiany kąta skręcenia polaryzacji zmieniając grubości kryształu. Znaki „-” przy wartościach grubości próbek, są umownym oznaczeniem lewoskrętności kwarcu, dodatnie wartości grubości oznaczają prawoskrętność kwarcu.

W doświadczeniu wykorzystuje się falową naturę światła , która mówi , że światło jest falą elektromagnetyczną w której wektory pola elektrycznego
i pola magnetycznego
drgają w płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. W związku z tym można otrzymać światło spolaryzowane. Można to zrobić kilkoma sposobami : przez odbicie , załamanie , przez wykorzystanie zjawiska selektywnego pochłaniania i zjawiska dwójłomności. Ostatni sposób ( zjawisko dwójłomności światła ) wykorzystany jest w doświadczeniu. W sacharymetrze zamontowany jest pryzmat Nicola służący do polaryzacji światła wykorzystujący właśnie zjawisko dwójłomności.

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od rodzaju ciała , stęzenia roztworu , od grubości warstwy skręcającej i wyraża się wzorem :

---