Badanie skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez wodny roztwór cukru
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
W doświadzczeniu 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.
Promień świetlny przechodząc przez kryształ jednoosiowy ( w naszym przypadku szpat islandzki zwany nikolem ) rozdziela się na dwa promienie całkowicie spolaryzowane. Jeżeli wiązkę światła przepuścimy przez dwa skrzyżowane nikole ( polaryzator i analizator ) , to ulegnie ona całkowitemu wygaszeniu. Jeżeli między nikole wstawimy np.: roztwór cukru w wodzie , to pole widzenia ulegnie rozjaśnieniu. Ponowne zaciemnienie można uzyskać przez obrót analizatora o pewien kąt. Substancje skręcające płaszczyznę polaryzacji nazywamy substancjami aktywnymi optycznie.
Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od rodzaju ciała , stęzenia roztworu , od grubości warstwy skręcającej i wyraża się wzorem :
, gdzie :
α - kąt skręcenia płaszczyzny ,
- właściwa zdolność skręcania ,
d - grubość warstwy skręcającej ,
c - stężenie roztworu.
Do pomiaru kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji używa się polarymetrów. Polarymetry używane do wyznaczania stężenia cukru w roztworze nazywane są sacharymetrami.
Układ pomiarowy.
P - polaryzator R - naczynie z badanym roztworem A - analizator
WYKONANIE ĆWICZENIA:
1. Przygotowujemy roztwór cukru o znany stężeniu (liczony w gramach na 100 cm3 roztworu) w następujący sposób. ważymy naczyńko wagowe puste (m1), a potem napełnione do 2/3 wysokości cukrem (m2). Obliczamy masę cukru (m2-m1). Cukier wsypujemy przez suchy lejek do menzurki, nalewamy do około 40 cm3 wody i trzęsiemy aż do zupełnego rozpuszczenia.Odczekawszy około 10 minut odczytujemy dokładnie objętośc roztworu i wyrażamy w decylitrach (V). Obliczamy stężenie:
2. Przepłukujemy dwukrotnie kuwetę polarymetru niewielką ilością zrobionego
roztworu (roztwór użyty wylewamy do zlewu). Napełniamy naczynie z
"czubkiem" , przykręcamy szkiełkiem , (przy czym wylewa się nadmiar cieczy), i
zakręcamy założywszy uszczelkę gumową. Po zakręceniu nie powinno być bańki
powietrza w naczyniu. Ścierką wycieramy naczynie do sucha i zakładamy do
przyrządu.
3. Uruchamiamy lampę sodową i czekamy 5 minut. (lampa świeci wówczas intensywnym żółtym światłem). Kręcąc okularem nastawiamy na ostrość obraz . Następnie kręcąc boczną śrubą uzyskujemy obraz możliwie ciemny. W pozycji tej przy niewielkich poruszeniach śruby w jedną i w drugą stronę obraz wygląda jak na rysunku (a) i (b). Między tymi położeniami śruby znajdujemy takie położenie, kiedy całe pole jest jednakowo szarożółte (pasek jest zupełnie niewidoczny).
Przy tym położeniu śruby odczytujemy na bocznej podziałce kąt skręcenia z
dokładnością do 0,050 (korzystając z noniusza). Roztwór wylewamy do zlewu.
4. Odczytujemy na kuwecie jej długość (l) (podana w mm wyrazić w dm) i wyznaczamy skręcenie właściwe ze wzoru:
5. Dokonujemy pomiaru kąta skręcenia dla nieznanego roztworu cukru (dany gotowy w butelce). Postępujemy ściśle według punktów 2 i 3.
6. Wyznaczamy stężenie nieznanego roztworu ze wzoru:
Wyniki umieszczamy w tabelce:
Błąd maksymalny wyznaczamy ze wzoru:
,
gdzie:
Aparatura:
Polarymetr kołowy, lampa sodowa, waga laboratoryjna, odważniki, naczyńko wagowe, menzurka, cukier.
masa cukru [g] | objętość roztworu [dm3] | stężenie roztworu [g/dm3] | kat skręcenia [o] | długość kuwety [dm] | skręcenie właściwe | kąt skręcenia [o] | stężenie niezn. roztworu |
---|---|---|---|---|---|---|---|
4,056 | 0,04 | 101,4 | 15,60 | 2 | 0,077 | 13,95 | 90,6 |
δ(m) = 10-3g
δ(V) = 1 cm3 = 0,001 dm3
δ(α) = 0,05o
Obliczenia:
Końcowe wyniki:
Wnioski:
Dzięki zastosowaniu kątomierza z noniuszem i szkła powiększjącego do odczytu kąta skręcenia płaszsczyzny polaryzacji pomiary mogły być wykonane z dokładnością do 0,01°. Poza wodnym roztworem cukru substancjami aktywnymi optycznie są takie substancje jak: roztwór kwasu winnego , ciała krystaliczne - kwarc , cynober ( siarczek rtęci ) , czyste ciecze - terpentyna , nikotyna. W doświadczeniu wykorzystano światło sodowe (monochromatyczne), ponieważ współczynnik α0 jest zależny od długości fali świetlnej.