Badanie właściwości optycznych roztworów.

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 4 (2018), STRONA 1/6 Badanie właściwości optycznych roztworów. Cel ćwiczenia - wyznaczenie skręcalności właściwej sacharozy w roztworach wodnych oraz badanie współczynnika załamania światła Teoria POLARYZACJA Światło stanowią fale elektromagnetyczne, w których mamy do czynienia z rozchodzeniem się zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych. Przyjęto określać drgania świetlne tylko wektorem E i nazwano go wektorem świetlnym. W świetle wychodzącym z naturalnego źródła drgania wektora świetlnego odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się promieni, lecz we wszystkich możliwych płaszczyznach, w których ten kierunek leży i takie światło nazywamy niespolaryzowanym. Wynika to stąd, że wiązkę promieni tworzy wiele ciągów falowych wysłanych przez różne atomy emitujące promieniowanie. W każdym z tych ciągów falowych wektor świetlny drga w innej płaszczyźnie. Jeśli jakiś czynnik zewnętrzny (zwykle w wyniku oddziaływania światła i materii) zmusi chaotyczne drgania by odbywały się w jednej płaszczyźnie lub według innego obranego porządku, to mówimy o polaryzacji światła. Gdy drgania świetlne odbywają się w jednej płaszczyźnie polaryzacja nosi nazwę liniowej. Płaszczyznę prostopadłą do tej, w której odbywają się drgania nazywamy płaszczyzną polaryzacji (niekiedy płaszczyznę polaryzacji definiuje się jako płaszczyznę drgań). Światło spolaryzowane liniowo uzyskuje się przepuszczając je przez filtry polaryzacyjne (polaroidy). Po przejściu przez taki filtr wektor świetlny E drga w jednej określonej płaszczyźnie (rys. 1). Rys 1. Wiązka światła po przejściu przez filtr polaryzacyjny. Niektóre ciała posiadają zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji przy przechodzeniu przez nie światła spolaryzowanego liniowo. Nazywamy je ciałami optycznie czynnymi. Należą do nich niektóre ciała stałe(np. kwarc), ciecze, gazy oraz roztwory niektórych substancji, między innymi roztwór cukru. Ciało optyczne czynne dzieli wiązkę spolaryzowaną liniowo ( rys. 2a) na składową spolaryzowaną kołowo prawoskrętnie i kołowo lewoskrętnie ( rys. 2b i 2c ). Zjawisko to nosi nazwę dwójłomności kołowej. Polaryzacja kołowa oznacza takie uporządkowanie drgań, przy którym wektor świetlny E obraca się wokół promienia świetlnego a jego koniec zakreśla linię śrubową. Te dwie składowe rozchodzą się z różnymi prędkościami, w wyniku czego wytwarza się między nimi różnica faz. Przy wyjściu z ciała te dwie składowe dodają się i wypadkowa jest nadal spolaryzowana liniowo, ale ma już inną płaszczyznę polaryzacji. 1

2 ĆWICZENIE 4 (2018), STRONA 2/6 Rys. 2. Wyjaśnienie skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez dwójłomność kołową. Wartość kąta α skręcenia płaszczyzny polaryzacji w warstwie roztworu o grubości l jest proporcjonalna do stężenia roztworu c i do grubości tej warstwy l. Zależy też od rodzaju roztworu, długości fali λ i temperatury T i można go wyrazić poniższą zależnością: α = [α] T λ l c {1} Jest to tzw. prawo Biota. Współczynnik [α] T λ nosi nazwę skręcalności właściwej (dla określonego związku, długości fali oraz temperatury). Skręcalność właściwa wyraża liczbowo kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji o stężeniu jednostkowym ( 1 kg*m -3 ) i grubości warstwy jednostkowej (1 m ). Ma więc wymiar: [α] λ stopień m2 T = [ ] kg Często w badaniach laboratoryjnych np. w pracowni studenckiej stężenie wyraża się w gramach na 100 cm 3 roztworu (g*100cm -3 ) zaś długość rurki pomiarowej w decymetrach (dm) i wówczas wartość skręcalności właściwej wyraża się w jednostkach: [α] λ stopień cm3 T = [ ] dm g Skręcenie płaszczyzny polaryzacji (a więc i płaszczyzny drgań wektora E ) przez substancję optyczne czynną wyznacza się polarymetrem kołowym, najczęściej dla długości fali linii sodowej λ = 589,3 nm. Skręcenie jest określone przez wartość kąta α o jaki należy obrócić analizator polarymetru, aby pole widzenia uzyskało taki sam wygląd jak przed umieszczeniem substancji skręcającej. 2

3 ĆWICZENIE 4 (2018), STRONA 3/6 ZAŁAMANIE ŚWIATŁA Światło, przy przejściu przez granicę dwóch ośrodków, zmienia swój kierunek ruchu. Zjawisko to nazywane jest załamaniem światła. Schemat tego zjawiska przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Schemat przedstawiający zmianę kierunku promieni świetlnych podczas załamania na granicy ośrodków. Zmianę kierunku promieni świetlnych podczas załamania opisuje to prawo załamania światła nazywane niekiedy prawem Snelliusa: sin α sin β = V 1 V 2 = n 2 n 1 {2} Gdzie α - kąt padania, β - kąt załamania, V 1 - prędkość światła w ośrodku 1, V 2 prędkość światła w ośrodku 2, n 1 - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 1, n 2 bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 2, przy czym bezwzględny współczynnik załamania definiujemy jako: n = c V gdzie: c - prędkość światła w próżni, V - prędkość światła w ośrodku, a względny współczynnik załamania ośrodka 2 względem 1 definiujemy jako: {3} n 2,1 = n 2 n 1 {4} Prawo załamania światła łączy ze sobą dwa kąty - kąt padania na powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki i kąt załamania powstający, gdy promień przejdzie granicę i zacznie się rozchodzić w drugim ośrodku. Zatem stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy względnemu współczynnikowi załamania światła ośrodka, do którego światło wpada, względem ośrodka, z którego światło wychodzi. Warto zwrócić uwagę na fakt, że kąty padania i załamania są liczone od normalnej do powierzchni, a nie od samej powierzchni. 3

4 ĆWICZENIE 4 (2018), STRONA 4/6 Refraktometr Abbego posiada dwa szklane pryzmaty, stykające się ze sobą poprzez cienką warstwę badanej cieczy. Powierzchnia górnego, oświetlanego zewnętrznym światłem pryzmatu, jest matowa. Dzięki temu wpadające do pryzmatu światło jest przez tę powierzchnię rozpraszane. Promienie świetlne rozproszonego światła wnikają w warstwę cieczy pod różnymi kątami. Część z nich niemal ślizga się po powierzchni dolnego pryzmatu. W efekcie wszystkie rozproszone promienie świetlne załamują się dalej w dolnym pryzmacie, przy czym kąt załamania zawiera się w granicach od 0 o do α gr. Pod największym kątem równym α gr załamują się promienie równoległe ( ślizgające się ) do powierzchni dolnego pryzmatu. Za pomocą lunety możemy obserwować granicę obszaru oświetlonego, ściśle związaną z kątem granicznym zależnym od współczynnika załamania warstwy badanej cieczy (rys. 4 B). Rys. 4. Układ pomiarowy: A) refraktometr Abbego, B) pole widzenia lunety i skali. 4

5 ĆWICZENIE 4 (2018), STRONA 5/6 A) POLARYMETRIA Wykonanie ćwiczenia Przygotować 5 roztworów cukru kolejno o stężeniach (w g na 100 cm 3 roztworu): 2, 4, 6, 8 i 10 g/100cm 3. Sacharozę odważyć z dokładnością 0,1g i rozpuścić w odpowiedniej ilości wody destylowanej, tak by otrzymać 100 cm 3 roztworu (użyć należy w tym celu odpowiednich kolb miarowych). Przeprowadzić pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla wszystkich pięciu badanych roztworów i jednego o nieznanym stężeniu c x (otrzymanego od prowadzącego) przy zastosowaniu rurki polarymetrycznej o długości 20 cm. Wyniki zanotować. Rurkę polarymetryczną należy przemyć wodą destylowaną po każdym pomiarze. B) REFRAKTOMETRIA Dla roztworów sacharozy z części A) zmierzyć współczynnik załamania światła (dla każdej próbki trzykrotnie) notując jednocześnie temperaturę. Wykonując pomiary na refraktometrze Abbego należy nanosić kilka kropel roztworu na dolną część pryzmatu przy zastosowaniu pipety bądź bagietki. Po wykonaniu pomiaru przemywamy pryzmat wodą lub alkoholem a następnie osuszamy bibułą. Opracowanie wyników i sprawozdanie W sprawozdaniu podajemy cel ćwiczenia, charakterystykę stosowanych metod (polarymetria i refraktometria), opisać sposób przygotowania odpowiednich wodnych roztworów cukrów. Wyniki przedstawiamy w postaci tabeli (wg wzoru: polarymetria - tabela 1, refraktometria tabela 2). Sporządź wykresy zależności kąta skręcenia (α) oraz współczynnika załamania światła (n) w funkcji stężenia roztworu (c w ). Przedstaw równania prostych na powyższych wykresach i na ich podstawie wyznacz stężenie nieznanego roztworu. Porównaj wyniki otrzymane obydwiema metodami. Oblicz skręcalność właściwą sacharozy ([α] T λ [ o *cm 3 *dm -1 *g -1 ]) na podstawie zależności {1}. Tabela 1. Wyniki pomiarów polarymetrycznych Nr próbki Stężenie C w [g*100cm -3 ] nieznane Kąt skręcenia α [ o ] Skręcalność właściwa sacharozy [α] T λ [ o *cm 3 *dm -1 *g -1 ] 5

6 ĆWICZENIE 4 (2018), STRONA 6/6 Tabela 2. Wyniki pomiarów refraktometrycznych Nr próbki Stężenie [g*100cm -3 ] nieznane Współczynnik załamania światła n n 1 n 2 n 3 n średnie Temperatura T [ o C] Zagadnienia i pytania kontrolne Polaryzacja światła, Współczynnik załamania światła Stężenia procentowe i molowe roztworów Prawo Snelliusa Jaka jest różnica pomiędzy polaryzacją liniową a kołową? Jaka jest różnica pomiędzy względnym a bezwzględnym współczynnikiem załamania światła? Literatura 1. Chemia fizyczna, P. Atkins, Warszawa : Wydawnictwo Naukowe PWN, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, T. Dryński, Warszawa : Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Instrukcje obsługi polarymetru i refraktometru 6