Cwiczenie_nr_48.doc

Ćwiczenie nr 48

TEMAT: Wyznaczanie stężenia roztworów substancji optycznie czynnych za pomocą polarymetru

                                                                  Wykonały:

Mackun Magdalena

                                                                        Domańska Beata

                                                          grupa 6

                                                        para 4

1.    Wprowadzenie

Zjawisko dyfrakcji i interferencji wskazują na falową naturę światła, zjawisko polaryzacji światła świadczy, że są to fale poprzeczne. Rozchodzenie się światła w przestrzeni polega na transporcie energii za pośrednictwem zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Światło jest więc falą elektromagnetyczną. Zgodnie z elektromagnetyczną teorią, naturalne światło składa się z wielu grup fal elektromagnetycznych.

a)    Fala elektromagnetyczna

Jest to zaburzenie (drgania) pola elektromagnetycznego, rozchodzące się w przestrzeni z nieskończoną prędkością c. Falę można opisać za pomocą wektora natężenia pola elektrycznego E (wektor świetlny) i magnetycznego B. Wektory te są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się światła, czyli promienia fali.

b)   Polaryzacja światła

·         W świetle naturalnym drgania wektora świetlnego zachodzą we wszystkich możliwych kierunkach, prostopadłych do kierunku rozchodzenia się światła. Wynika to stąd, że światło składa się z dużej liczby ciągów fal wysyłanych przez pojedyncze atomy. Wektor świetlny z ciągów fal jest zorientowany zupełnie przypadkowo i dlatego w świetle naturalnym wszystkie kierunku drgań są tak samo prawdopodobne oraz szybko i przypadkowo się zmieniają. Światło takie nazywamy światłem niespolaryzowanym.

Gdy promień biegnie do naszego oka wzdłuż prostej prostopadłej do płaszczyzny rysunku, wówczas w świetle niespolaryzowanym wektor świetlny może drgać we wszystkich kierunkach.

·         Drgania wektora możemy jednak uporządkować. Światło, w którym drgania wektora świetlnego w każdym punkcie promienia zachodzą w jednym kierunku, czyli koniec wektora świetlnego kreśli odcinek linii prostej, nazywamy światłem spolaryzowanym. Jest ono uporządkowane w płaszczyźnie wyznaczonej przez kierunek drgań wektora świetlnego i promień świetlny.

Rodzaje polaryzacji:

v     Polaryzacja liniowa

Wektor świetlny drga tylko w jednym kierunku.

v     Polaryzacja kołowa

Koniec wektora świetlnego zatacza okrąg w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara (polaryzacja w kierunku prawym P), lub w kierunku przeciwnym (polaryzacja w lewą stronę L).

v     Polaryzacja eliptyczna

Jest uogólnieniem polaryzacji kołowej. Ruch ciała wytwarzającego drganie odbywa się po elipsie.

Sposoby uzyskania polaryzacji:

ü      Podwójne załamanie

W celu uzyskania światła spolaryzowanego liniowo stosuje się tzw. Pryzmat Nicola, czyli nikol. Promień świetlny padający prostopadle na płytkę płasko-równoległą ulega rozdzieleniu na dwa równoległe promienie: promień zwyczajny (z) - podlegający prawom załamania leżący w tej samej płaszczyźnie co promień padający i prosta prostopadła do powierzchni kryształu w punkcie padania oraz promień nadzwyczajny (nz) - na ogół nie leży w płaszczyźnie padania. Oba promienie są spolaryzowane liniowo, lecz w płaszczyznach do siebie prostopadłych.

ü      Dichroizm

Po przejściu światła przez kryształ dwójłomny otrzymuje się dwie wiązki spolaryzowane, o drganiach prostopadłych do siebie, lecz pokrywające się. Aby otrzymać światło o jednym kierunku drgań należy jedną z wiązek wyeliminować. W sposób naturalny eliminacja ta następuje w kryształach wykazujących zjawisko dichroizmu. Zjawisko to polega na niejednakowym pochłanianiu promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego przez dany kryształ dwójłomny. Można tak dobrać grubość kryształu, że po jego przejściu jeden z promieni  ulega całkowitemu pochłonięciu, a drugi przechodzi jako światło całkowicie spolaryzowane liniowo.

ü      Polaroidy

Polaroidy to folie polimerowe, których cząsteczki są ustawione w sposób uporządkowany, a poszczególne cząsteczki są anizotropowe. Światło przechodzące przez takie folie jest spolaryzowane

ü      Odbicie i załamanie światła

Gdy wiązka światła naturalnego pada na powierzchnię rozgraniczającą ośrodki przezroczyste np. powietrze i szkło, wówczas i promień odbity i załamany są czę­ściowo spolaryzowane. Dla materiałów dielektrycznych  istnieje pewien kąt padania α który nosi nazwę kąta całkowitej polaryzacji lub kąta Brewstera (αB), dla którego wiązka odbita jest całkowicie spolaryzowana. W wiązce całkowicie spolaryzowanej odbija się tylko składowa prostopadła wektora elektrycznego fali świetlnej, natomiast jego składowa równoległa do płaszczyzny padania nie ulega odbiciu. Jeżeli kąt padania światła jest równy kątowi αB to wiązki odbita i załamana tworzą kąt prosty, a wiązka odbita jest całkowicie spolaryzowana.

Prawo Brewstera:

Na podstawie tego prawa możemy określić kąt padania, przy którym następuje całkowita polaryzacja.

c)    Skręcenie płaszczyzny polaryzacji

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji polega na zmianie orientacji tej płaszczyzny przy przechodzeniu światła przez niektóre substancje. Substancje takie noszą nazwę substancji optycznie czynnych.

Każde światło liniowo spolaryzowane można przedstawić za pomocą dwóch składowych spolaryzowanych kołowo: składowej prawoskrętnej i składowej lewoskrętnej. W ośrodku izotropowym, optycznie nieaktywnym, prędkość rozchodzenia się obu składowych jest taka sama i kierunek drgań wektora E promienia  świetlnego jest po przejściu przez substancję jest taki sam jak spolaryzowanego liniowo promienia padającego. Natomiast w ośrodkach anizotropowych , optycznie czynnych, prędkość obu składowych jest różna. W wyniku ich złożenia otrzymuje się światło liniowo spolaryzowane, jednak wektor E’ tworzy kąt α z kierunkiem drgań liniowo spolaryzowanego światła padającego.

Płaszczyzna polaryzacji światła wychodzącego z roztworu substancji optycznie aktywnej została obrócona względem płaszczyzny polaryzacji światła padającego o kąt α zwany kątem skręcenia płaszczyzny polaryzacji. 

d)   Substancje optycznie czynne

Związki optycznie czynne to te substancje które nie posiadają płaszczyzny lub środka symetrii. Przykładami takich związków mogą być związki zawierające atom węgla podstawiony czterema różnymi grupami, np. białka, skrobia.

e)    Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji (α) jest proporcjonalny do liczby (n) cząsteczek substancji optycznie czynnej, jakie napotyka promień świetlny na swej drodze.

α~n

Dla roztworu liczba cząsteczek substancji rozpuszczonej:

     n~cl,

gdzie:

c – stężenie substancji optycznie czynnej w roztworze, w g/cm3

l – grubość warstwy roztworu w dm.

W przypadku roztworów substancji optycznie czynnej w rozpuszczalniku optycznie nieczynnym można zapisać:

α~cl

α=α0cl,

gdzie:

α0 – skręcenie właściwe

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy więc od stężenia substancji optycznie czynnej, długości drogi promieni w roztworze oraz od skręcenia właściwego charakterystycznego dla danej substancji.

f)     Skręcenie właściwe

Skręcenie właściwe α0 przyjęto mierzyć w wielkości kąta, o jaki skręca płaszczyznę polaryzacji dany roztwór o grubości warstwy 1dm i stężeniu 1 g/dm3. Jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji optycznie czynnej rozpuszczonej w danym rozpuszczalniku w stałej temp..

g)   Polarymetr

1-źródło światła; 2-kolimator; 3-polaryzator; 4-urządzenie półcieniowe; 5-rurka polarymetryczna; 6-analizator; 7-pokrętło analizatora; 8-okular

Monochromatyczne światło lampy sodowej (1) przechodzi przez polaryzator (3), w którym ulega polaryzacji. Spolaryzowana wiązka światła przechodzi przez naczynie (5) oraz przez nikol (6) , zwany analizatorem I wpada do lunetki (8), Nikol (4) spełnia funkcję przyrządu półcieniowego.

h)   polaryzator i analizator

Dwa nikole ustawione jeden za drugim tworzą układ, w którym jeden spełnia role polaryzatora a drugi analizatora. Polaryzator służy do polaryzacji światła, natomiast analizator do sprawdzania stanu polaryzacji światła.

Jeżeli płaszczyzna polaryzacji analizatora równoległa do płaszczyzny polaryzacji polaryzatora, to światło przechodzi przez analizator (natężenie I0).

Jeżeli obie płaszczyzny są do siebie nachylone pod kątem α, to pole elektryczne światła przechodzącego będzie opisane rzutem wektora E0 na płaszczyznę polaryzacji analizatora ( natężenie światła wychodzącego z analizatora wynosi: I= I0*cos2α).

Jeżeli płaszczyzny są do siebie prostopadłe, to natężenie światła równa się 0.

2.    Wzory robocze

    (1)

      (2)

3.    Wykonanie pomiaru

1.      przygotować roztwory o znanym stężeniu substancji optycznie czynnej.

2.      Włączyć do sieci lampę sodową i odczekać 5 min na jej pełne rozjarzenie.

3.      Wstawić do polarymetru pusta kuwetkę pomiarową.

4.      Ustawic analizator (pokrętłem z prawej strony) aby sprzężona z nim skala kątowa wskazywała wartość ok. 2° (plus lub minus), wówczas w polu widzenia okularu ukaże się pionowy pasek (pole widzenia jest podzielone na 3 części). Nastawić ostrość przez pokręcenie okularu.

5.      Obrócić ponownie analizator tak, aby doprowadzić do wyrównania oświetlenia całego pola widzenia. Skala powinna wówczas wskazywać wartość zero lub minimalne odchylenie od zera, które należy odczytać na noniuszu kątowym skali i zanotować jako α1.

6.      Napełnić kuwetę roztworem o najmniejszym stężeniu (po skręceniu kuwety nie może znajdować się w niej bańka powietrza), przetrzeć okienka kuwety, wstawić kuwetę do polarymetru, poprawić „ostrość”, nastawić ponownie jednakowe oświetlenie pola widzenia (całe pole przyciemnione) i odczytać na skali kąt α2.

7.      Obliczyć kąt skręcenia α ze wzoru (1).

8.      Obliczyć skręcenie właściwe ze wzoru (2),

Gdzie l=2dm

9.      Przeprowadzić pomiary dla wszystkich przygotowanych próbek (wg. pkt.  6-8)

10.  Obliczyć średnie skręcenie właściwe α0śr.

11.  Sporządzić wykres zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji α do stężenia roztworu c (krzywa wzorcowa).

12.  Przeprowadzić pomiarów kąta α dla roztworów o nieznanym stężeniach. Z wykresu odczytać wartości tych stężeń.

13.  Wyniki zestawić w tabeli.

4.    Tabela