Wyznaczanie stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru.

Naturalne (niespolaryzowane) światło składa się z wielu grup fal elektromagnetycznych, emitowanych przez poszczególne atomy. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi (wektory natężeń pól elektrycznego i magnetycznego są prostopadłe do kierunku propagacji fali). Oko ludzkie reaguje jedynie na natężenie pola elektrycznego. Dalej będziemy więc rozważać jedynie zmiany tego pola. Wektor natężenia pola elektrycznego grupy fal, wyemitowanej przez pojedynczy atom, zmienia się w zależności od czasu i współrzędnej opisującej kierunek propagacji zgodnie ze wzorem:

E = E₀ sin[2π(ct - x/λ) + δ]

Płaszczyzną drgań nazywamy płaszczyznę wyznaczoną przez wektor natężenia pola elektrycznego promień (kierunek propagacji) fali (na rys. 1) płaszczyzna wyznaczona przez OY i OX).

Falę świetlną mającą jedną stałą w czasie, płaszczyznę drgań nazywamy falą spolaryzowaną liniowo. Płaszczyznę prostopadłą do płaszczyzny drgań (na rys. płaszczyzna wyznaczona przez OX i OZ) nazywamy płaszczyzną polaryzacji. Światło naturalne jest superpozycją wielkiej liczby grup fal, emitowanych przez pojedyncze atomy lub cząsteczki, których położenie jest zupełnie przypadkowe, zatem ułożenie płaszczyzn polaryzacji poszczególnych grup fal jest również zupełnie przypadkowe. Istnieją różne metody polaryzacji światła naturalnego. Przykładami zjawisk wykorzystywanych do tego celu są:

1. Zjawisko podwójnego załamania. Niektóre anizotropowe kryształy rozszczepiaja padającą wiązkę światła naturalnego na dwie wiązki spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych. Wiązki te ulegają załamaniom pod różnymi kątami - stąd rozdzielenie światła naturalnego na dwie wiązki spolaryzowane liniowo.

2. Polaryzacja przy odbiciu od granicy ośrodków, różniących się przenikalnością dielektryczną.

3. Dichroizm - zjawisko polegające na istnieniu, w pewnych kryształach, różnicy współczynników pochłaniania dla fal spolaryzowanych w różnych płaszczyznach.

Kryształy, o których była mowa w punktach 1 i 3 są wykorzystywane do wytwarzania przyrządów zwanych polaroidami. Światło naturalne przepuszczane przez polaroid staje się światłem spolaryzowanym liniowo. Płaszczyzna polaryzacji światła jest wyznaczona przez ustawienia osi polaryzatora. Jeżeli wiązkę światła przepuścimy przez polaryzator, a następnie na jej drodze ustawimy analizator (czyli drugi polaroid), to w zależności od wzajemnego ustawienia osi polaryzatora i analizatora nastąpi całkowite wygaszenie spolaryzowanej wiązki - w przypadku osi prostopadłej, lub jej przepuszczenie - w przypadku równoległych.

Pewne substancje (np. wodne roztwory cukru - sacharozy) posiadają zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła. Przyrządem do mierzenia kąta o jaki skręcana zostaje płaszczyzna polaryzacji jest polarymetr.

Światło ze źródła Z, przepuszczone przez polaryzator P zostaje całkowicie spolaryzowane w płaszczyźnie wyznaczonej przez oś polaryzatora. Po przejściu przez substancję zawartą w rurze R, płaszczyzna polaryzacji zostaje skręcona o kąt α. Po to, aby obserwator O mógł zaobserwować wiązkę o maksymalnym natężeniu, oś analizatora A musi pokrywać się z kierunkiem polaryzacji światła opuszczającego rurę R. Kąt pomiędzy osiami polaryzatora P i analizatora A jest kątem o jaki ośrodek w rurze skręcił płaszczyznę polaryzacji. Kąt ten wyraża się wzorem:

α = d · a · l

gdzie:

• d - stężenie roztworu

• l - długość rury

• a - zdolność skręcająca.

Znajomość zdolności skręcającej a (można ją wyznaczyć przez badanie roztworu o znanym stężeniu) i długości ośrodka skręcającego l, pozwala wyznaczyć stężenie nieznanych roztworów.

Wykonanie ćwiczenia.

1. Zapalamy lampę z żółtym filtrem ( λ = 589,3 nm) i ustawiamy lunetkę na ostrość.

2. Rurę R wypełniamy wodą destylowaną i ponownie regulujemy ostrość widzenia.

3. Obracamy analizator A do położenia, w którym środkowy pas i pozostała część pola widzenia są jednakowo ciemne. Odczytujemy wskazania α_0i na podziałkach obu noniuszy. Pomiar powtarzamy trzykrotnie i wyznaczamy wartość średnią.

4. Rurę R przepłukujemy, napełniamy roztworem I o znanym stężeniu i przeprowadzamy pomiar wartości jak w punkcie 3. Wyznaczamy wartość średnią.

5. Różnica odczytów dla roztworu I i dla wody destylowanej daje kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji: α₁ = α`₁ - α₀. Znając długość rurki l i stężenie d₁ roztworu I, znajdujemy zdolność skręcającą.

6. Rurę R wypełniamy roztworem II o nieznanym stężeniu d₂. Znajdujemy kąt skręcenia α₂ płaszczyzny polaryzacji dla roztworu II: α₂ = α`₂ - α₀.

7. Obliczamy nieznane stężenie d₂ roztworu II.

Wnioski.

Dzięki powyższemu ćwiczeniu mogłem w sposób doświadczalny zbadać stężenie cukru w dwóch roztworach. Ćwiczenie to może być wykorzystywane na szeroką skalę dzięki swej prostocie. Wyniki otrzymane w trakcie ćwiczenia obarczone były błędami. Ścisły rachunek błędów pozwolił jednak w wystarczającym stopniu je wyeliminować.

SZKOŁA GŁÓWNA GOSPODARSTWA WIEJSKIEGO

DATA: 30.10.2002

Ćwiczenie nr 73

Wyznaczanie stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru.

Nazwisko: GAŁECKA

Imię: BEATA

Wydział: TRiL

Grupa: 2

---