实验十五 用旋光仪测糖溶液的浓度

实验十五 用旋光仪测糖溶液的浓度

实验内容

1. 观察线偏振光通过旋光物质所发生的旋光现象。

2. 学习旋光仪的使用方法，用旋光仪测定糖溶液的浓度。 教学要求

1． 熟悉光的偏振的基本规律。 2． 了解旋光物质的旋光性质。 实验器材

WXG-4小型旋光仪，烧杯，蔗糖，蒸馏水。

光是电磁波，它的电场和磁场矢量互相垂直，且又垂直于光的传播方向。通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量与光的传播方向所构成的平面称为振动面。在传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。若光的矢量方向是任意的，且各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。若光矢量可以采取任何方向，但不同的方向其振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，则称为部分偏振光。若光矢量的方向始终不变，只是它的振幅随位相改变，光矢量的末端轨迹是一条直线，则称为线偏振光。

当线偏振光通过某些透明物质（例如糖溶液）后，偏振光的振动面将以光的传播方向为轴线旋转一定角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度φ称为旋光度。能使其振动面旋转的物质称为旋光性物质。旋光性物质不仅限于像糖溶液、松节油等液体，还包括石英、朱砂等具有旋光性质的固体。不同的旋光性物质可使偏振光的振动面向不同方向旋转。若面对光源，使振动面顺时针旋转的物质称为右旋物质；使振动面逆时针旋转的物质称为左旋物质。

偏振光在国防、科研和生产中有着广泛应用：海防前线用于了望的偏光望远镜，立体电影中的偏光眼镜，分析化学和工业中用的偏振计和量糖计都与偏振光有关。激光光源是最强的偏振光源，高能物理中同步加速器是最好的X 射线偏振源。随着新概念的飞跃发展，偏振光成为研究光学晶体、表面物理的重要手段。

实验原理

实验证明，对某一旋光溶液，当入射光的波长给定时，旋光度φ与偏振光通过溶液的长度l 和溶液的浓度c 成正比，即

cl αϕ= （15-1）

式中旋光度φ的单位为“度”，偏振光通过溶液的长度l 的单位为dm ，溶液浓度的

单位为1

-⋅ml

g 。α为该物质的比旋光度，它在数值上等于偏振光通过单位长度（dm ）、

单位浓度（1

-⋅ml g ）的溶液后引起的振动面的旋转角度。其单位为度· ml · dm -1· g –1。

由于测量时的温度及所用波长对物质的比旋光度都有影响，因而应当标明测量比旋光度

时所用波长及测量时的温度。例如 C

A

︒505893][ α=66.5°，它表明在测量温度为500

C ，所用光源的波长为5893A

时，该旋光物质的比旋光度为66.50。 若已知某溶液的比旋光度，且测出溶液试管的长度l 和旋光度φ，可根据式15-1

求出待测溶液的浓度，即

t l c λ

αϕ

][=

（15-2） 通常溶液的浓度用100ml 溶液中的溶质克数来表示，此时上式改写成

100][⨯=

t l c λ

αϕ

（15-3） 在糖溶液浓度已知的情况下，测出溶液试管的长度l 和旋光度φ，就可以计算出该

溶液比旋光度，即

100][⨯=

cl

t

ϕ

αλ （15-4）

操作步骤 1.调整旋光仪

(1)接通电源，开启电源开关，约五分钟后，钠光灯发光正常，便可使用。 (2)调节旋光仪调焦手轮，使其能观察到清晰的三分视场。

(3)转动检偏镜，观察并熟悉视场明暗变化的规律，掌握零度视场的特点是测量旋光度的关键。零度视场即三分视界线消失，三部分亮度相等，且视场较暗。

(4)检查仪器零位是否正确。在试管未放入仪器前，掌握双游标的读法，观察零度视场的位置与零位是否一致。若不一致，说明仪器有零位误差，记下此时读数。重复测定零位误差三次，取其平均值。注意应在读数中减去（有正负之分）。 2.测定旋光溶液的比旋光度

(1)实验室事先将制备好的标准溶液注满试管。

(2)将试管放入旋光仪的槽中，转动度盘，再次观察到零度视场时，读取ϕ'，重复三次求出平均值ϕ'。算出旋光度0ϕϕϕ-'=。

(3)将φ、l 、c 代入式15-4，计算出标准溶液的比旋光度。并注意标明测量时所用的波长和测量时的温度。 3.测量糖溶液的浓度

将长度已知，性质和标准溶液相同，而溶液浓度未知的溶液试管，放入旋光仪中，测量其旋光度φ。将测得的旋光度φ、溶液试管长度l 和前面测出的比旋光度t

λα][代入式15-3，求出该溶液的浓度c 。 注意事项

1．溶液注满试管，旋上螺帽，两端不能有气泡，螺帽不宜太紧，以免玻璃窗受力而发生双折射，引起误差。

2．试管两端均应擦干净方可放入旋光仪。 3．在测量中应维持溶液温度不变。

4．试管中溶液不应有沉淀，否则应更换溶液。 问题讨论

1．测量糖溶液浓度的基本原理?

2．什么叫左旋物质和右旋物质?如何判断? 附录

一、 WXG-4小型旋光仪

WXG-4小型旋光仪光路如图15-1所示。

物质的旋光性测量的简单原理如图15-2所示。首先将起偏镜与检偏镜的偏振化方向调到正交，我们观察到视场最暗。然后装上待测旋光溶液的试管，因旋光溶液的振动面

图15-1 旋光仪的光学系统

1.光源；

2.毛玻璃；

3.聚光镜；

4.滤色镜；

5.起偏镜；

6.半波片；

7.试管；

8.检偏镜；

9.物、目镜组；10.读数放大器；11.调焦手轮；12.度盘与游标；13.度盘转动手轮

的旋转，视场变亮，为此调节检偏镜，再次使视场调至最暗，这时检偏镜所转过的角度，即为待测溶液的旋光度。

由于人们的眼睛很难准确地判断视场是否全暗，因而会引起测量误差。为此该旋光仪采用了三分视场的方法来测量旋光溶液的旋光度。从旋光仪目镜中观察到的视场分为三个部分，一般情况下，中间部分和两边部分的亮度不同。当转动检偏镜时，中间部分和两边部分将出现明暗交替变化。图15-3中列出四种典型情况，即（a ）中央为暗区，两边为亮区；（b ）三分视界消失，视场较暗；（c ）中间为亮区，两边为暗区；（d ）三分视

界消失，视场较亮。

由于在亮度不太强的情况下，人眼辨别亮度微小差别的能力较大，所以常取图

15-3（b ）所示的视场为参考视场。并将此时检偏镜的位置作为刻度盘的零点，故称该视场为零度视场。

当放进了待测旋光液的试管后，由于溶液的旋光性，使线偏振光的振动面旋转了一定角度，使零度视场发生了变化，只有将检偏镜转过相同的角度，才能再次看到图15-3（b ）所示的视场，这个角度就是旋光度，它的数值可以由刻度盘和游标上读出。

为了操作方便，整个仪器的光学系统以50°倾角安装在基座上.光源用50W 钠光灯，波长为5893A 。检偏镜与刻度盘连接在一起，利用手论可作精细转动。本旋光仪采用的是双游标读数，以消除刻度盘的中心偏差。刻度盘分度360格，每格1°，游标分20格，它和刻度盘19格等长，故仪器的精密度为0.05°。

图15-2 物质的旋光性测量简图 中间为暗区两边为亮区 （a ） 中间为亮区两边为暗区 （c ） 三分视界消失

视场较暗 （b ） 三分视界消失 视场较亮 （d ） 图15-3 转动检偏镜时，目镜中视场明暗变化