Wyznaczanie stężenia roztworu cukru metodą skręcenia płaszczyzny polaryzacji

Patryk Pjanka, Anna Paluch - kl. 2d - rok szkolny 2007-2008

WSTEP TEORETYCZNY


W DOśWIADCZENIU ZASTOSOWANA ZOSTAłA TECHNIKA ANALITYCZNA
- POLARYMETRIA - KTóRA WYKORZYSTUJE POMIAR SKRęCENIA PłASZCZYZNY śWIATłA
SPOLARYZOWANEGO DO WYZNACZANIA INNYCH WłASCIWOSCI SUBSTANCJII





Światło

to fala , dla której ośrodkiem jest pole elektromagnetyczne.
Do określania orientacji fali bierze się kierunek drgań pola
elektrycznego tzw. kierunkek polaryzacji.






Jakiekolwiek uporządkowanie drgań fali elektromagnetycznej (drgań wektora pola elektrycznego) nazywamy jej polaryzacją.
Światło spolaryzować możemy na kilka sposobów:

- Kołowo lub eliptycznie - wektor natężenia pola elektrycznego zatacza koła / elipsy w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu (uzyskiwane przez: odbicie od pow. przewodników, przepuszczanie przez uporządkowane ośrodki przezroczyste, złożenie niezgodnych kierunkiem polaryzacji promieni spolaryzowanych liniowo)
- Liniowo – wektor natężenia pola elektrycznego zmienia się tylko jednej płaszczyźnie (zawierającej kierunek rozchodzenia się światła) – w przyrodzie zachodzi najrzadziej (uzyskiwane przez: odbicie od dielektryków, załamanie, rozpraszanie, selektywną absorpcję, dwójłomność)


Polarymetria

Polarymetr - przyrząd optyczny służący do pomiaru stężenia roztworów substancji, których cząsteczki skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Służy też do określania czynności optycznej czystych związków chemicznych oraz określania składu mieszanin enancjomerów. Jest zbudowany z dwóch pryzmatów Nicola. Pierwszy z nikoli nosi nazwę "polaryzatora" a drugi "analizatora".





Pryzmat ten służy do wyeliminowania
jednego z dwóch promieni spolaryzowanych
wskutek podwójnego załamania.
Może dzięki temu pełnić role polaryzatora lub analizatora.





Pryzmat Nicola wykorzystuje zjawisko dwójłomności:

- Promień zwyczajny – spolaryzowany w kierunku równoległym do obrazka –ulega załamaniu zgodnie z sinusową postacią Prawa Sneliusa

- Promień nadzwyczajny – spolaryzowany w kierunku prostopadłym do obrazka – ulega załamaniu w inny sposób ze względu na własności kryształu

Ich złożenie daje nam polaryzację kołową lub eliptyczną.

Światło naturalne odbijając się od powierzchni wody, szkła, tworzyw sztucznych ulega częściowej polaryzacji. Całkowita polaryzacja nastąpi, jeżeli kąt padania osiąga wartość kąta Brewstera.
Gdy kąt między promieniem odbitym a załamanym wyniesie 90*, promień odbity będzie całkowicie liniowo spolaryzowany, wtedy kąt padanie będzie kątem Brewster’a.




Prawo Malusa - określa, jaka część promieniowania odbierana jest przez analizator przy określonym jego ustawieniu względem płaszczyzny polaryzacji
P – kierunek drgań „ustawiony” za pomocą polaryzatora
A – kierunek, w którym światło filtruje analizator
Stosunek amplitud:

Natężenie rejestrowane za analizatorem:






Aktywność optyczna - zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła przez cząsteczki chiralne


Chiralność, nieidentyczność budowy przestrzennej cząsteczki z jej lustrzanym odbiciem, wynikająca z całkowitego braku elementów symetrii lub obecności tylko prostych osi symetrii w cząsteczce.

Cząsteczka sacharozy (użytej do naszego doświadczenia) jest chiralna, dlatego skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego.





Skręcalność właściwa - wartość charakteryzująca substancję,
poprzez wartość kąta skręcania płaszczyzny przez roztwór tej substancji.
Otrzymuje się na podstawie wzoru:



Gdzie:
α - wartość skręcenia płaszczyzny polaryzacji
c - stężenie roztworu (wyrażone w %)
l - długość drogi optycznej przez roztwór (wyrażona w dm)
- skręcalność właściwa – zależy słabo od
temperatury i silnie od długości fali – skręcenia płaszczyzny
polaryzacji dla różnych barw będą inne
Doświadczenie przeprowadziliśmy w stałej temperaturze z użyciem światła monochromatycznego o barwie zielonej z diody, więc stężenie roztworu możemy wyrazić wzorem:



Doświadczenie zostało wykonane przy użyciu zestawu wykonanego w pracowni fizycznej.







Uzyskane wyniki

Rzeczywiste stężenie
5%
10%
15%
20%
Kąt skręcenia
16
39
65
80

Na podstawie tabeli sporządzono wykres zależności stężenia roztworu od kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Na wykres naniesiono linię trendu.




Na podstawie wykresu oraz równania linii trendu można teraz wyznaczyć stężenie dowolnego roztworu mierząc kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji.


Źródła:
- http://www.ap.siedlce.pl/~imif/laborki/CWICZ_47.pdf
- www.wikipedia.pl
- www.fizyka.net.pl
- „Wiedza i życie” (8/1996)
- http://biochigen.slam.katowice.pl/podrecznik/21.pdf