实验六旋光性溶液浓度的测定

实验六 旋光性溶液浓度的测定

【实验目的】

1．观察光的偏振现象，加深对光的偏振性认识，验证马吕斯定律。

2．了解旋光仪的结构原理，学习测定旋光性溶液的旋光率和浓度的方法.。

【实验原理】

1、偏振光的基本概念

光波是一种特定频率范围内的电磁波.由于引起视觉和光化学反应的是电场强度E ，所以E 矢量又称为光矢量，我们把E 的振动称为光振动，E 与光波传播方向之间组成的平面叫振动面.在垂直于光传播方向的平面内，如果光矢量E 只沿一个固定方向振动，这种光称为线偏振光，简称偏振光[见图1(a )].普通光源发射的光是由大量原子或分子辐射而产生，单个原子或分子辐射的光是偏振的，但由于热运动和辐射的随机性，大量原子或分子所发射的光的光矢量出现在各个方向的概率是相同的，没有哪个方向的光振动占优势，这种光源发射的光不显现偏振的性质，称为自然光

[见图1(b )].还有一种光线，光矢量在

某个特定方向上出现的概率比较大，

也就是光振动在某一方向上较强，这样的光称为部分偏振光[见图1(c )].

二、偏振光的获得和检测

将自然光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器.常用的起偏器有人工制造的偏振片、晶体起偏器和利用反射或多次透射(光的入射角为布儒斯特角)而获得偏振光.自然光通过偏振片后，所形成偏振光的光矢量方向与偏振片的偏振化方向(或称透光轴)一致.在偏振片上用符号“ ”表示其偏振化方向.

鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，检偏的装置称为检偏器.实际上起偏器也就是检偏器，两者是一样的.自然光通过作为起偏器的偏振片以后，变成光强为0E 的偏振光，偏振光

通过作为检偏器的偏振片后，其光强E 可根据马吕斯定律确定：

2

0cos E E θ= （1） 式中θ为起偏器和检偏器偏振化方向之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，光强将发生周期性变化.当0θ= 时，光强最大；当90θ=

时，光强为极小值(消光状态)，接近全暗；当090θ<< 时，光强介于最大值和最小值之间.但同样对自然光转动检偏器时，就不会发生上述现象，光强不变.对部分偏振光转动检偏器时，光强有变化但没有消光状态.因此根据光强的变化，就可以区分偏振光、自然光和部分偏振光.

三、旋光现象

线偏振光通过某些物质的溶液后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象，旋转的角度称为该物质的旋光度。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、

溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温度及光的波长等有关。当其它条件均固定时，旋光度θ与溶液浓度C 呈线性关系，即

C βθ= (2) 上式中，比例常数β与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关，C 为溶液的浓度。

物质的旋光能力用比旋光度即旋光率来度量，旋光率用下式表示： []C l t

?=θαλ

(3)

上式中，[]t λα右上角的t 表示实验时温度(单位：o C), λ是指旋光仪采用的单色光源的波长(单位：nm)，θ为测得的旋光度(单位： o )，l 为样品管的长度（单位：dm ），C 为溶液浓度（单位：g/100mL ）。

由(3)式可知：偏振光的振动面是随着光在旋光物质中向前进行而逐渐旋转的，因而振动面转过的角度θ与光通过的溶液的长度l 成正比；振动面转过的角度θ与溶液浓度C 成正比。

如果已知待测物质浓度C 和液柱长度l ，只要测出旋光度θ就可以计算出旋光率。如果已知液柱长度l 为固定值，可依次改变溶液的浓度C ，就可测得相应旋光度θ。并作旋光度θ与浓度的关系直线，从直线斜率、长度l 及溶液浓度C ，可计算出该物质的旋光率；同样，也可以测量旋光性溶液的旋光度θ，确定溶液的浓度C 。

旋光性物质（溶液）还有右旋和左旋之分。当面对光射来的方向观察，如果光振动面按顺时针方向旋转，这种溶液称为右旋溶液，如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖的水溶液，它们的旋光率用正值表示.反之，如果振动面向左(逆时针方向)旋转，这种溶液称为左旋溶液，如转化糖、果糖的水溶液，它们的旋光率用负值表示.表1给出了一些样品在温度t =20o

C,偏振光波长为钠光≈λ589.3nm(相当于太阳光中的D 线)时的旋光率。 图2 旋光现象示意图

1. 起偏器

2.起偏器偏振化方向

3.旋光物质

4. 检偏器偏振化方向

5.旋光角

6.检偏器

表1某些样品的旋光率(单位：o ·cm 3 ·g -1·dm -1)

实验表明，同一旋光物质对不同波长的光有不同的旋光率，通常采用钠黄光(589．3nm)来测定旋光率。对不同波长的光，旋光率近似与偏振光波长的平方成反比，可根据[]589.3t

α估算[]t λα。旋光率还与旋光物质的温度有关，不同的溶液旋光率随温度变化的规律不尽相同。

【实验仪器】

自组装偏振光旋光实验仪的结构如图3所示。它由光具座、带刻度转盘的偏振片2个、样品试管、样品试管调节架、光功率计等组成。

图3 偏振光旋光实验仪

1．半导体激光器（S ）;2。起偏器及转盘P 1; 3。样品管调节架（R ）;4。样品试管；

5．检偏器及转盘P 2； 6。光强探测器（硅光电池T ）;7。光功率计（I ） 由半导体激光器发出的部分偏振光（波长=λ650nm ）经起偏器P 1后变为线偏振光，调

整检偏器P 2,使P 2与P 1的偏振化方向垂直，透过P 2的光最暗，功率计示值最小。当放入待测

溶液后，由于旋光作用，透过检偏器P 2的光由暗变亮，功率计示值变大。再旋转检偏器P 2,使功率计示值重新变最小，所旋转的角度就是旋转角θ，这样就可以利用公式（2）求出待测液体浓度。

【实验内容】

1.检验激光的偏振性：

把激光器。起偏器、光强探测器如图3所示安放在光具座上，然后将激光器、光强探测器与光功率计相连，并把光功率计量程开关置于mW 档。打开光功率计电源，调整光路使激光器发射孔、起偏器中心、光功率计探头等高同轴。再用挡光板挡住激光束，对光功率计mW 档调零。之后，取走挡光板，旋转起偏器一周观察功率计读数的变化。必要时切换光功率计档位（注意调零），进而判断激光器发出的光的偏振性。

2.验证马吕斯定律：

调节起偏器使透射光达到最强。仿图3在光具座上安放检偏器，并调整好光路，旋转检偏器转盘使透射光最弱，光功率计示数最小（为零），并记下检偏器角度及光功率计示数,

此时检偏器的透光轴与起偏器的透光轴相互垂直。然后向一个方向旋转检偏器，记录一系列检偏器的角度值和相应光功率计的读数，验证马吕斯定律。实验中检偏器的转角可限定在0~90O

之间，其间测量点不少于8个。测量过程中，注意光功率计的调零。

3.用偏振光旋光实验仪测量样品的比旋光率

仿前调节检偏器转盘使从检偏器输出光强最小（为零）。如图3将样品管（内有葡萄糖溶液）放于支架上，用白纸片观察偏振光入射至样品管的光点和从样品管出射光点形状是否相同，以检验玻璃管是否与激光束等高同轴。如果不同轴可调节“样品管支架”下的调节螺丝使达到同轴为止。此时可观察到透过检偏器的光强不为零。记下此时检偏器的读数，然后沿同一方向旋转检偏器转盘，使光功率计读数重新达到最小，检偏器所转过的角度θ便是该浓度溶液的旋光度。

(1)对浓度为0C 、20C 、40C 、80C 的溶液及纯水(浓度为零) 5种试样，注入相同长度的

样品试管中，测出不同浓度样品的旋光度θ。并同时记录测量环境温度t 和激光波长λ。

(2)以溶液浓度为横坐标，旋光度为纵坐标，绘出葡萄糖溶液的旋光直线，由此直线斜率代入公式(3),求得该物质的旋光率[]t

650α。 4.测定葡萄糖溶液的浓度

用旋光仪测出浓度为C O 的葡萄糖溶液样品的旋光度，再根据旋光直线确定其浓度。

【数据处理】

1. 利用测得数据在坐标纸上绘出E ─cos 2θ的关系曲线，验证马吕斯定律。

2. 利用测得数据在坐标纸上绘出E ─θ的关系曲线，进而计算物质的旋光率[]t

650α，并写出测量结果。

3. 写出测定溶液浓度C O 的表达式。

【预习思考题】

1.什么是旋光现象？物质的旋光度与哪些因素有关？物质的旋光率怎么定义？

2.如何用实验的方法确定旋光物质是左旋还是右旋？

【分析讨论题】

为何用检偏器透过光强为零（消光）的位置来测量旋光度，而不用检偏器透过光强为最大值（P 1和P 2透光轴平行）位置定旋光度？

【注意事项】

1.半导体激光器功率较强，不要用眼睛直接观察激光束，也不可直接入射至探测器上，以免损坏探测器。测量时应注意使激光束入射至探测器的中间部位。

2. 一般将数字式光功率计的量程置于mW 档，以后根据需要把量程切换到W μ档，注意换挡要重新调零。

3.玻璃管应用双手取放，以免损坏。