ТЕМА ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Лабораторная работа №1
Измерение угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными растворами и определение их концентрации при помощи поляриметра.
Оборудование: 1) поляриметр; 2) кюветы 2шт; 3) набор растворов.
Цель работы: научиться оперативно определять концентрацию оптически активных растворов поляризационным методом.
Свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. Вектора напряженности электрического Е и магнитного Н полей колеблются во взаимно-перпендикулярных плоскостях (рис 1а)
В естественном свете плоскость световых колебаний (колебания вектора Е) хаотически меняет свое направление в пространстве (рис. 1б); в плоскополяризованном свете колебания электрического вектора совершаются в определенном направлении (например, в вертикальном, рис. 1в).
Получить поляризованный свет можно различными способами, например, пропуская естественный свет через поляроид (специальная прозрачная пластина, покрытая ориентированным слоем мелких кристалликов йодистого хинина), называемый поляризатором . Для обнаружения поляризации света используют аналогичный поляроид, называемый анализатором . Анализатор для этого располагают на пути поляризованного света и начинают его вращать. При расположении его перпендикулярно к плоскости поляризации свет через анализатор не пройдет.
Некоторые оптически одноосные кристаллы, в частности кварц, а также оптически активные жидкости (например, растворы сахара, комфоры и др.) при прохождении через них поляризованного света поворачивают плоскости поляризации входящих лучей. Убедиться в этом нетрудно, помещая между скрещенными поляризатором и анализатором кварцевую пластину; после внесения ее свет начинает проходить через поляроиды и для того, чтобы его вновь погасить, нужно повернуть анализатор на некоторый угол, равный углу поворота плоскости поляризации.
Явление вращения плоскости поляризации применяется для установления тождественности вращательно-активных веществ и для определения концентрации раствора таких веществ. Приборы, служащие для измерения углов вращения плоскости поляризации, называются поляриметрами (рис. 1г).
Общий вид поляриметра
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПОЛЯРИМЕТРА
Схема оптическая принципиальная рис. 2
Оптическая принципиальная схема включает в себя: лампу ДНаС 18-04.2 1, светофильтр 2, конденсор 3, поляризатор 4, хроматическую фазовую пластинку 5, защитное стекло 6, два покровных стекла 7, трубки 8, 9, 10 и 11, анализатор 12, объектив 13, окуляр 14 и две лупы 15.
Схема электрическая принципиальная рис. 3
Электрическая схема включает в себя дроссель Др1, включенный последовательно с лампой Л1 в сеть напряжением 220 В, частотой 50 Гц, через предохранители ПР1 и ПР2 посредством вилки Ш1 и тумблера В1.
Конструкция прибора рис. 6
Конструктивно поляриметр состоит из следующих основных составных частей: корпуса 47, головки анализатора с линейным поляризатором 48, основания в сборе 49, крышки 50.
Натриевую лампу включают тумблером 42. Кюветное отделение закрывают крышкой 45.
4.3.1. Головка анализатора с поляризатором (рис. 4) является измерительной частью поляриметра и состоит из следующих сборочных единиц: поляризационного устройства 33, головки анализатора 24, наблюдательной трубки 28, наглазника 30. Головка анализатора и поляризационное устройство закреплены на концах корпуса кюветного отделения 21.
Поляризационное устройство состоит из защитного стекла 20, хроматической фазовой пластинки 19, линейного поляризатора 18, конденсора 17 и светофильтра 16. Линейный поляризатор и хроматическая фазовая пластинка крепятся жестко в оправах.
Головка анализатора 24 состоит из втулки 22, линейного поляризатора 23, корпуса 27, фланца 32.
Лимб 26 закреплен на цилиндрическом зубчатом колесе. На лимбе нанесена 360-градусная шкала с ценой деления 0,5°.
На корпусе 25 закреплены нониусы отсчетных устройств 34, 36, расположенные диаметрально. Каждый нониус имеет 25 делений. Величина отсчета по нониусу 0,02°.
Вращение лимба осуществляется ручкой 31.
Наблюдательная трубка состоит из объектива 25, диафрагмы и окуляра. Вращением втулки 29 наблюдательная трубка устанавливается на резкое изображение линии раздела поля зрения.
В наглазнике 30 жестко закреплены две лупы З5, через которые снимаются отсчеты со шкалы лимба и отсчетного устройства.
4.3.2. Основание в сборе (рис. 5) состоит из тумблера 39, дросселя 41, основания 40, держателя предохранителя 38 и вилки 37.
4.3.3. Кювета (рис. 7) состоит из трубки со втулками 53, покровных стекол 54, прокладок 55, втулок 56 и гаек 51, 52.
На стеклянной трубке имеется выпуклость, необходимая для сбора пузырьков воздуха. На трубке кюветы нанесена ее фактическая длина между торцами.
Оптическая принципиальная схема
Электрическая принципиальная схема
Головка анализатора с поляризатором
 |
Принцип действия
В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части поля зрения. Разделение поля зрения на части осуществлено введением в оптическую систему поляриметра хроматической фазовой пластинки. Яркости
полей сравнения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения. Плоскости поляризации поляризатора и анализатора при равенстве минимальных яркостей полей сравнения составляют угол 86,5°.
Свет от лампы, пройдя через конденсо р и поляризатор, одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку, защитное стекло, кювету и анализатор, а другой частью пучка только через защитное стекло, кювету и анализатор.
Вид поля зрения поляриметра см. на рис. 9.
Уравнивание яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора.
Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором (рис. 10).
Следовательно, разностью двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором.
По углу вращения плоскости поляризации возможно определение концентрации оптически активных веществ. Для большинства оптически активных веществ уделите вращение мало зависит от концентрации и угол вращения пропорционален концентрации:
α = [α] L C, (1)
где α - угол вращения плоскости поляризации и градусах;
[α ] - удельное вращение измеряемого оптически активного вещества для длины волны 589 им и при температуре + 20° С;
L - длина кюветы в дм;
С - концентрация в г/см 3 .
Зная угол вращения плоскости поляризации в градусах, можно определить концентрацию вещества в г/см 3:
При измерении на поляриметре угла вращения плоскости поляризации правовращающими оптически активными растворами отсчеты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 0 до 35°.
При измерении угла вращения плоскости поляризации левовращающими оптически активными растворами отсчеты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 360 -до 325°, величина угла вращения определяется: отсчет по шкале первого отсчетного устройства и лимбу минус 360°.
При необходимости можно проводить измерения углов вращения плоскости поляризации более ±35°. Погрешность измерения в данном случае может быть определена экспериментально, путем определения по результату измерения удельного вращения [а] вещества и сравнения его со справочными данными
[α]= α/С L(3)
Основание в сборе
Общий вид поляриметра в разрезе
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1.Чистка кювет и наполнение исследуемым раствором
Перед началом измерений монету необходимо тщательно прочистить. С этой целью через трубку кюветы протолкнуть пробку из фильтровальной бумаги, пропитанной спиртом. Покровные стекла протереть салфеткой, смоченной в спирте. Перед наполнением кюветы раствором на один конец трубки положить покровное стекло и резиновую прокладку, прижать втулкой и затянуть гайкой.
Наполнять кюветы раствором до тех пор, пока на верхнем конце кюветы не появится выпуклый мениск. Этот мениск сдвинуть в сторону при помощи покровного стекла. Затем на покровное стекло положить резиновую прокладку, прижать втулкой и затянуть гайкой.
Гайку 51 (рис. 7) затянуть так, чтобы не было натяжений в покровных стеклах и кювета не подтекала.
После наполнения кюветы исследуемым раствором покровные стекла с наружной стороны должны быть тщательно протерты мягкой салфеткой.
В кювете не должно оставаться воздушных пузырьков. Если они имеются, то их необходимо наклонами завести в утолщенную часть кюветы, чтобы они не мешали наблюдению.
Поляриметрия - метод физико-химического анализа, основанный на измерении вращения плоскости линейно поляризованного света оптически активными веществами. Большая часть оптически активных веществ - это органические соединения с ассимметричным атомом углерода, т. е. с таким, единицы сродства которого насыщены четырьмя различными заместителями. Соединения асимметричных атомов четырехвалентного олова, серы, селена, кремния и пятивалентного азота также оптически активны.
Термины и обозначения
Если через слой оптически активного вещества или его раствор пропускать поляризованный луч света, то плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации или углом вращения а.
В зависимости от природы вещества, вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину.
Если плоскость поляризации вращается вправо от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество (по движению часовой стрелки), то вещество называют правовращающим и перед названием ставят знак « + » или D; если же вращение плоскости поляризации происходит влево, то вещество называют левовращающим и перед названием ставят знак «-» или L.
Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, толщины слоя вещества, через который проходит свет, температуры и длины волны света. Угол вращения прямо пропорционален толщине слоя. Влияние температуры связано, главным образом, с изменением плотности растворов и, в большинстве случаев, незначительно. Обычно определение оптического вращения проводят при 20 °С и при длине волны максимально соответствующей желтой линии D спектра натрия (589,3 нм).
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации вычисляют так называемое удельное вращение плоскости поляризации монохроматического света, вызванное слоем вещества толщиной в 1 дм, при температуре t и концентрации активного вещества 1 г/см3. Если определение удельного вращения проводят при 20 °С и длине волны линии D спектра натрия, то его обозначают знаком [a]D20.
Для жидких индивидуальных веществ удельное вращение определяют по формуле:
где а - измеренный угол вращения, градусы; l - толщина слоя жидкости, дм; d - относительная плотность жидкости.
Для растворов удельное вращение определяют по формуле:
где С - концентрация раствора, г растворенного активного вещества на 100 см3 раствора.
Удельное вращение зависит от природы растворителя и концентрации раствора. При замене растворителя может измениться не только величина угла вращения, но и его направление. Во многих случаях удельное вращение постоянно лишь в определенном интервале концентраций. Поэтому, приводя значение удельного вращения, необходимо указывать растворитель и концентрацию испытуемого раствора.
В интервале концентраций, в котором удельное вращение постоянно, можно по углу вращения рассчитать концентрацию вещества в растворе по формуле:
Полезно построить график зависимости концентрации активного вещества от угла вращения плоскости поляризации стандартными растворами различной концентрации. При помощи этого графика в дальнейшем по полученному значению угла вращения определяют концентрацию раствора.
Поляриметрические измерения имеют широкое практическое применение. На основании определения знака и величины вращения плоскости поляризации можно судить о химическом строении и пространственной конфигурации оптически активных веществ, делать порой выводы о механизме реакции.
Поляриметрический метод давно уже является основным методом контроля в сахарной промышленности - по углу вращения плоскости поляризации света определяют содержание сахара в растворе.
Поляриметры и сахариметры
Устройство и принцип действия. Поляриметр СМ схематически изображен на рис. 191. Свет от источника 9 проходит последовательно через поляризационное устройство 7, поляриметрическую трубку 6, анализатор с устройством 5, поворачивающим плоскость поляризованного луча, и попадает в зрительную трубу 8.
Поляризационное устройство состоит из осветительной линзы, поляризатора и кварцевой пластинки, расположенной симметрично относительно поляризатора. Поляризатор и кварцевая пластинка находятся в определенном положении и крепятся жестко к оправе. Основной рабочей частью прибора является головка анализатора, состоящая из неподвижного лимба 1, вращающихся одновременно фрикциона 5 и двух нониусов 4, анализатора и зрительной трубы 8.
В трубу 8 при измерении вкладывают поляриметрическую трубку 6 с исследуемым веществом (раствором). Во избежание проникновения постороннего света, вырез в трубе закрывается вращающейся шторкой. Зрительная трубка служит для наблюдения тройного поля зрения и состоит из объектива и окуляра. Движением муфты 3 окуляр устанавливают на резкость изображения тройного поля зрения. В раковине окуляра находятся две лупы 2, которые позволяют, не меняя положение головы, отсчитывать угол вращения нониуса относительно шкалы лимба. На лимбе 1 нанесена градусная шкала от 0 до 360°. Внутри лимба на подвижной втулке, связанной с анализатором, нанесены два нониуса 4, расположенные диаметрально. Нониусы имеют по 20 делений ценой 0,05°. При больших углах вращения пользуются обоими нониусами и результатом измерения считают среднее значение из полученных отсчетов по первому и второму нониусам.
Поляриметрическая трубка 6 изготовляется из стекла. На трубке имеется выпуклость, необходимая для сбора пузырьков воздуха. На концах трубки укреплены металлические наконечники, на которые навертываются крышки, прижимающие покровные стекла. Между крышками и покровными стеклами имеются резиновые прокладки, предохраняющие от образования натяжений в стекле при завертывании крышек.
Осветитель 9 состоит из патрона, прикрепленного к кронштейну. Для регулирования освещения патрон можно перемещать вдоль кронштейна, а сам кронштейн перемещать по стойке вверх, вниз и вокруг нее. Источником света служит матовая лампа накаливания мощностью 25 Вт. Свет от лампочки проходит через специально подобранные светофильтр и поляроиды, в результате чего максимум спектрального распределения пучка соответствует желтой линии натрия.
Проведение измерений. Пустую поляриметрическую трубку вставляют в зрительную трубу, закрывают шторкой, включают осветитель в сеть и наблюдают в окуляр освещенность тройного поля. Если крайние поля неравномерно освещены, то перемещением осветителя добиваются их равномерного освещения. После установки осветителя определяют начальное положение анализатора. Перемещением муфты вдоль оси добиваются резкого изображения разделяющей линии тройного поля, наблюдаемого в окуляр. Плавно вращая анализатор с помощью фрикциона, добиваются равной затемненности изображения тройного поля (рис. 192), видимого в окуляр, которое определяет начальное положение анализатора. После установки на равную затемненность тройного поля через лупу с помощью нониуса лимба производят отсчет. Начальное положение не обязательно должно совпадать с нулевым делением градусной шкалы лимба.
Установку начального положения анализатора и отсчет делений градусной шкалы лимба следует повторить не менее 5 раз и показанием прибора считать среднее значение от полученных отсчетов.
После этого наполняют поляриметрическую трубку исследуемым раствором, для чего, отвинтив крышку с одного конца трубки, наполняют ее в вертикальном положении прозрачным раствором (мутный раствор фильтруют) до появления в верхнем конце трубки выпуклого мениска. Затем сбоку надвигают покровное стекло, накладывают резиновую прокладку и завинчивают крышку. При этом необходимо следить за тем, чтобы в трубке не оставалось пузырьков воздуха. Наружные стороны покровных стекол должны быть прозрачными и без следов жидкости, которая удаляется фильтровальной бумагой.
Наполненную поляризационную трубку вставляют в зрительную трубу и закрывают шторкой. Перемещением муфты 3 устанавливают на резкость разделяющие линии тройного поля. Затем, плавно вращая анализатор с помощью фрикциона 5, добиваются равномерной затемненности изображения тройного поля и производят отсчет.
Порядок отсчета следующий: определяют, на сколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу, затем определяют число делений от нуля нониуса до штриха нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножают полученное число делений на 0,05. Полученный результат прибавляют к первому. Разность отсчетов, соответствующих фотометрическому равновесию поля с оптически активным веществом и без него, равна углу вращения плоскости поляризации данного раствора.
Установку на равную затемненность тройного поля и отсчет необходимо производить не менее 5 раз.
Если поляриметр имеет кожух для термостатирования поляризационной трубки, то перед началом испытания раствора через кожух в течение 10 мин пропускают воду из термостата при температуре 20 ±0,1°С. В случае отсутствия кожуха следует работать в помещении при 20 ±3°С. При определении удельного вращения индивидуальной жидкости ее выдерживают в термостате при 20 ±0,1 °С в течение 30 мин.
Сахариметр универсальный СУ-3. В сахариметрах, в отличие от поляриметров, для компенсации поворота плоскости поляризованного луча исследуемым раствором используют специальные кварцевые клинья, соответственно положению которых по шкале отсчитывают значение угла вращения.
Шкала сахариметров градуирована в градусах Международной сахарной шкалы (°S). Один градус сахарной шкалы соответствует 0,26 г сахарозы в 100 см3 раствора, если измерение производится в поляриметрической трубке длиной 200 мм при 20 °С. Сто градусов сахарной шкалы (100 °S) соответствуют 34,62° угловым.
Устройство и принцип действия. Оптическая схема универсального сахариметра СУ-3 изображена на рис. 193.
Свет от источника 1 проходит через матовое стекло 2, предназначенное для рассеивания света (вместо него в оптическую систему может быть введен светофильтр). Далее световой поток проходит конденсорную линзу 3, попадает в поляризатор 4 и выходит из него плоскополяризованным. За поляризатором стоят два защитных стекла 5 и 6, между которыми установлена поляриметрическая кювета с исследуемым раствором. Подвижный кварцевый клин 7, стеклянный контрклин 8 и неподвижный кварцевый клин 9 образуют кварцевый компенсатор, который компенсирует вращение плоскости поляризации. За анализатором 10 расположена зрительная трубка, состоящая из двухлинзового объектива 11 и окуляра 12, которая сфокусирована на выходную грань поляризатора 4. При помощи зрительной трубки можно рассмотреть в увеличенном виде линию раздела поля зрения прибора.
Свет от электролампы освещает также шкалу 15 и нониус 14 с помощью отражательной призмы 17 и защитного стекла 16, рассеивающего свет. Цифры и деления нониуса и шкалы рассматриваются в увеличенном виде под лупой 13, состоящей из двух линз. По нулевому делению нониуса фиксируют значение шкалы, соответствующее состоянию одинаковой освещенности обеих половин поля зрения.
Источником света является электролампа А-10 (15 Вт, 12 В), питаемая от сети переменного тока 220 В через понижающий трансформатор 12 В, встроенный в основание прибора.
Проведение измерений. Сахариметр должен быть установлен на столе в темном лабораторном помещении со стенами, окрашенными в черный цвет, что повышает чувствительность глаза наблюдателя.
Перед началом измерений прибор необходимо заземлить при помощи винта заземления, включить в сеть и установить на нуль. Установка на нуль производится при отсутствии в камере поляриметрической кюветы. Вращая рукоятку кремальерной передачи, устанавливают однородность освещения обеих половин поля зрения. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать (рис. 194). В противном случае перемещают нониус до совмещения его нулевого деления с нулевым делением шкалы. После проверки нулевой точки шкалы можно непосредственно приступить к измерениям.
В камеру прибора вкладывают поляриметрическую кювету с испытуемым раствором. При этом изменяется однородность освещения обеих половин поля зрения. Вращая рукоятку кремальерной передачи, уравнивают освещенность обеих половин поля зрения и производят отсчет показаний с точностью до 0,1 деления шкалы при помощи нониуса. Отсчет показаний повторяют 5 раз. Результатом считают среднее арифметическое пяти измерений.
Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется рисунками. На рис. 195 слева показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету + 11,8 °S (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений, и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается восьмое деление нониуса). На том же рисунке справа показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету -3,2 °S (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на три полных деления шкалы, и в левой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается второе деление нониуса).
Для определения массового процента сахарозы в исследуемом растворе следует отсчитанные по шкале сахариметра градусы сахарной шкалы умножить на переводной коэффициент 0,260 и разделить на плотность исследуемого, раствора.
Сахариметр СУ-3 комплектуется поляриметрическими трубками длиной 100, 200 и 300 мм. Трубки длиной 100 мм применяют для окрашенных растворов и при расчетах результатов анализа значение, полученное по шкале прибора, увеличивают в два раза. Трубки длиной 400 мм применяют при исследовании растворов малой концентрации и при расчете значения по шкале прибора уменьшают в два раза.
К прибору для проверки правильности показаний прилагается контрольная трубка с двумя нормальными кварцевыми пластинками на -40 и +100 °S.
Точность показаний сахариметра с помощью контрольной трубки необходимо проверять при установившейся температуре 20 °С. В случае проверки прибора при температуре, отличающейся от 20 °С, производят пересчет по формуле:
где а20 и at - вращательная способность кварцевой пластинки при 20 °С и температуре измерения t, соответственно, °S.
Расхождение в показаниях проверяемого прибора и контрольной трубки при выверенной нулевой точке является погрешностью данного прибора.
Уход за приборами и их хранение
После окончания работы приборы и принадлежности к ним следует тщательно протереть мягкой неворсистой салфеткой; на приборы надеть чехол, а принадлежности уложить в футляр.
Хранить приборы следует в сухом и чистом помещении при температуре воздуха 10-35 °С и относительной влажности 30-80%. В воздухе помещения не должно быть вредных примесей.
Не допускается разбирать приборы и чистить оптические детали, расположенные внутри приборов.
Защитные стекла чистят при помощи деревянной палочки с намотанным на нее тонким слоем гигроскопической ваты, соблюдая осторожность, чтобы не поцарапать полированные поверхности стекол.
Поляризованный свет отличается от обычного тем, что он колеблется только в одной плоскости, в то время как обычный свет колеблется во всех плоскостях пространства.
Поляризованный свет можно получить, если пропустить луч обычного света через призму Николя, кристаллическая решетка которой задерживает колебания света во всех плоскостях, кроме одной, через которую он проникает на другую сторону кристалла в виде поляризованного света. Призму Николя, служащую для получения поляризованного света, называют поляризатором.
Если на пути поляризованного света поставить вторую призму Николя, плоскость поляризации которой совпадаете первой призмой, то поляризованный свет свободно пройдет через вторую призму и осветит пространство позади нее. В случае смещения второй призмы так, что нарушится параллельность плоскостей поляризации, поляризованный свет не сможет полностью пройти через вторую призму и пространство позади нее будет частично или полностью затемнено (в зависимости от степени смещения). Вторую призму, находящуюся на пути поляризованного света, называют анализатором.
Если между поляризатором и анализатором, установленными так, что поляризованный свет проходит через анализатор, поместить слой жидкости, не содержащий оптически активных веществ, например дистиллированную воду, то плоскость колебания поляризованного света не отклонится и луч пройдет через анализатор так же, как в случае, когда слой жидкости отсутствовал.
Плоскость поляризованного света сдвинется на определенную величину, если при первоначальном положении обеих призм между ними поместить слой жидкости, содержащей оптически активное вещество, например глюкозу. В данном конкретном случае сдвиг произойдет на угол а и свет не сможет пройти через анализатор.
Для того, чтобы свет прошел через анализатор, последний необходимо повернуть на тот же угол а так, чтобы плоскость поляризованного света снова совпадала с плоскостью анализатора. Поставив перед анализатором градуированную в градусах шкалу, можно измерить угол отклонения, а вместе с тем и угол вращения плоскости поляризованного света а.
Аппараты, построенные на описанном выше принципе, называются поляриметрами и с их помощью определяется угол вращения поляризованного света. Схематическое устройство простейшего поляриметра приведено на рис. 95, а, б.
Рис. 95.
а, б - схематическое изображение поляриметра. Пояснения в тексте.
Зеркало (1) служит для направления пучка света в аппарат, а оранжевый светофильтр (2), установленный перед поляризатором, пропускает только желтый свет, так как поляриметрию предпочтительно проводить при желтом, а еще лучше при монохроматическом свете натриевой лампы. Поляризатор (3) служит для поляризации пучка света, а трубка (4) предназначена для заполнения ее исследуемой жидкостью. Анализатор (5) и связанный с ним диск поворота (6) служат для вращения на соответствующий угол. Окуляр поляриметра (7) необходим для рассмотрения поля зрения, а шкала с нониусом (8) и окуляр (9) нужны для регистрации величины угла вращения.
Поле зрения поляриметра обычно разделено на две равные части (рис. 96, а). Когда в трубке находится оптически неактивная жидкость, то обе половины зрительного поля освещены одинаково, так как анализатор не задерживает света. При наличии в трубке оптически активного раствора одна из половин зрительного поля затемняется, так как плоскость поляризованного света отклоняется и свет не полностью проходит через анализатор. Поворотом диска, к которому прикреплен анализатор, последний поворачивают на угол а, соответствующий повороту плоскости поляризованного света, при этом обе половины зрительного поля освещаются одинаково. На шкале прибора определяется величина угла.
В некоторых приборах поле зрения разделено не на две, а на три части - центральную полосу и два боковых сегмента по сторонам (рис. 96, б). Эти приборы удобнее, чем поляриметры с двумя частями поля зрения. При оптически неактивной жидкости все три части поля зрения освещены одинаково. При оптически активной жидкости, находящейся в трубке, плоскость поляризованного света отклоняется и центральная полоска зрительного поля затемняется.
Диск с анализатором вращают до тех пор, пока все три части поля зрения примут одинаковую освещенность, после чего отмечают угол поворота.
Для оптически активного вещества величина угла вращения поляризованного света зависит от ряда факторов:
1) от характера веществ, каждое из которых имеет свой характерный угол вращения, который называют «удельным вращением» и обозначают ;
2) от концентрации оптически активного вещества;
3) от длины трубки, в которой помещена исследуемая жидкость (толщина слоя).
Зависимость между этими величинами может быть выражена следующим уравнением:
где 1) -удельное вращение вещества;
2) l - толщина слоя;
3) С - концентрация оптически активного вещества. Таким образом, зная удельное вращение вещества и длину
трубки, можно определить его концентрацию в растворе. Длина трубки в различных аппаратах может быть различной. Эта величина указывается в инструкциях по пользованию.
обозначает специфический угол вращения (удельное
вращение), т. е. угол вращения поляризованного света при концентрации одного грамма вещества в 1 мл, при длине трубки в 10 см, температуре 20°, при желтом натриевом свете (D - линия спектра).
Поляриметр П-161 в настоящее время не выпускается, но применяется во многих лабораториях. Он весьма прост в употреблении и предназначен для определения сахара в моче. Прибор состоит из трех основных частей: стойки, трубки поляриметра и трубки-кюветы.
Трубка-кювета изготовлена из керамики, на которую навинчивают колпачки с резиновыми прокладками и защитными стеклами, чтобы не вытекала исследуемая жидкость. Изготовленная из непрозрачной керамики кювета позволяет устанавливать ее в открытое ложе поляриметрической трубки. Керамическая трубка-кювета небьющаяся, кислотоустойчивая, стенки ее обладают меньшей отражательной способностью, чем стекло. Длина керамиковой трубки-кюветы - 94,7 мм, рассчитана таким образом, что удвоенное число отсчета дает непосредственное содержание сахара в 100 мл мочи или соответственно содержание сахара в процентах.
Более сложным прибором является круговой поляриметр типа СМ , позволяющий определять угол вращения в пределах ±360°. Луч света от лампы накаливания через отверстие в кожухе осветителя проходит через светофильтр, осветительную линзу-конденсор, дающую пучок параллельных лучей, и далее через поляризатор, помещенный между двумя защитными стеклами. Поляризованный свет проходит через диафрагму с кварцевой пластинкой, расположенной так, что через нее проходят лучи только средней части пучка. Пластинка отклоняет плоскость поляризации света, проходящего через поляризатор на 5-7°.
Поворотом анализатора регулируется освещенность фотометрического поля, которое в поляриметре СМ разделено на три части (рис. 96, б). Затемненность полей определяют через зрительную трубу и фиксируют либо в отсутствии трубки с исследуемым раствором, либо с трубкой, наполненной водой.
Рис. 96. Поле зрения поляриметра.
а - с двумя полями; б - с центральными и боковыми сегментами.
Сложным и высокоточным производительным прибором является поляриметр, выпускаемый фирмой «Perkin-Elmer» .
Поляриметр этой фирмы модели 241 МС имеет монохроматор. Монохроматический свет проходит через поляризатор, ячейку с образцом и анализатор и попадает на фотоумножитель. Прибор работает на принципе оптического нулевого отсчета. Поляризатор и анализатор установлены в нулевой позиции на вертикальной оптической оси. Когда оптически активный образец устанавливается в пучок света, анализатор поворачивается с помощью серво-системы до тех пор, пока опять не устанавливается оптический нуль. Угол вращения измеряется по шкале и результат указывается на цифровом табло.
Измерение угла вращения исследуемых веществ может проводиться в лучах ртутной лампы высокого давления, а также при необходимости в свете натриевой лампы с длиной волны 589 нм, дейтериевой лампы с длиной волн 250-420 нм или йодно-кварцевой лампы (350-650 нм). Три последних лампы смонтированы в отдельном блоке, который легко устанавливается в прибор и позволяет быстро осуществлять переключение необходимого источника света.
Для исследования малых объемов растворов имеется специальная микроячейка на 0,2 мл. Точность прибора: ±0,002° для ротационных величин <1°.
Габариты прибора: длина - 950 мм, ширина - 280 мм, высота - 350 мм. Масса - около 50 кг.
В настоящее время в технохимическом контроле бродильных производств применяют два основных метода определения содержания углеводов: поляриметрический и химический. Известны также колориметрический, хроматографический и полярографический методы определения углеводов, изложенные в следующих разделах этой главы.
Поляриметрический метод определения содержания углеводов
Свет представляет собой электромагнитные колебания, распространяющиеся от источника света во все стороны по прямым линиям (лучам). Различают лучи естественные и поляризованные. Луч, колебания которого происходят во всех плоскостях, перпендикулярных его направлению, называется естественным лучом (рис. 27). Поляризованным лучом называется такой луч, колебания которого происходят только в какой-либо одной плоскости. Плоскость, в которой происходят колебания луча, называется плоскостью колебаний поляризованного луча, а плоскость, перпендикулярная ей, - плоскостью поляризации.
Способность веществ и растворов изменять (вращать) плоскость поляризации света называется оптической активностью. Вещества, способные вращать плоскость поляризации света, являются оптически активными. В противоположность им вещества, не способные изменять плоскость поляризации света, оптически неактивны. Углеводы относятся к оптически активным веществам. Оптическая активность углеводов обусловлена наличием в их молекуле асимметрических атомов углерода, т.е. таких, все четыре валентные связи которых соединены с различными атомами или группами атомов. Углеводы, как и другие органические вещества, содержащие асимметрический углерод, проявляют оптическую активность в растворенном состоянии. На свойстве оптической активности углеводов основан поляриметрический метод их определения.
Различают вещества, изменяющие плоскость поляризации света по часовой стрелке - правовращающие - и изменяющие ее против часовой стрелки - левовращающие. К правовращающим веществам относятся глюкоза, сахароза, раффиноза, крахмал, к левовращающим - фруктоза. Если через раствор оптически активного вещества проходит поляризованный луч, то он вращает плоскость поляризации. Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Величина этого угла зависит от природы вещества, толщины слоя раствора (длина пути луча), концентрации раствора, длины волны поляризуемого света и температуры.
Для сравнения оптической активности различных оптически активных веществ и использования этого явления в аналитической практике введено понятие удельного вращения. Удельным вращением называют угол, на который поворачивается плоскость поляризации под действием раствора, содержащего 100 г вещества в 100 мл раствора при толщине слоя этого раствора 1 дм (100 мм); условились удельное вращение измерять при температуре 20° С в желтом свете натриевого пламени и обозначать индексом [a]20D . Каждое оптически активное вещество характеризуется определенной величиной удельного вращения при растворении его в определенном растворителе. Ниже приведены величины удельного вращения некоторых углеводов [a]20D
Знак «+» означает правое вращение, знак «-» -левое.
Свежеприготовленные растворы некоторых сахаров не сразу проявляют свойственное им удельное вращение. Вращательная способность таких растворов изменяется на холоде медленно, а при известных условиях (нагревание, незначительное добавление щелочи) - быстро. Это явление постепенного изменения удельного вращения называется мутаротацией и объясняется наличием а- и b-форм молекул сахаров. Например, a-d-глюкоза имеет удельное вращение [а]20D = +110°, а a-d-глюкоза +19°. Свежеприготовленный раствор одной из этих форм постепенно изменяет вращение, пока величина его не достигнет среднего значения, соответствующего удельному вращению +52,5°, при котором обе формы глюкозы находятся в равновесии.
Удельное вращение оптически активного вещества в растворе выражается формулой
где а - наблюдаемый угол поворота плоскости поляризации; С - концентрация оптически активного вещества, г/100 мл раствора; l - толщина слоя раствора, дм.
Пользуясь указанной формулой, можно по величине угла поворота плоскости поляризации а найти концентрацию оптически активного вещества С. Прибор, при помощи которого можно измерить угол поворота плоскости поляризации, производимого оптически активным веществом, называется поляриметром.
Устройство поляриметра
Основными частями поляриметра являются поляризатор и анализатор. Поляризатор служит для получения поляризованного света, анализатор - для его исследования и обнаружения. В качестве поляризатора и анализатора обычно пользуются призмами Николя (рис. 28). Такая призма выпиливается из кристалла исландского шпата и состоит из двух частей abd и bcd, склеенных по плоскости bd. Луч света l, входя в кристалл, делится на два поляризованных луча mp и mo. Луч mo, обладающий большим коэффициентом преломления, претерпевает полное внутреннее отражение от слоя склеивающего вещества bd и уходит в сторону or. Луч mpqs с меньшим коэффициентом преломления проходит сквозь призму. Таким образом, первая призма Николя (поляризатор) дает возможность получить поляризованный свет. Призма Николя пропускает лишь световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости; колебания, лежащие в перпендикулярной плоскости, она совершенно не пропускает. Поэтому, если пропустить луч света последовательно через две призмы Николя, расположенные одна за другой, то могут наблюдаться различные явления в зависимости от того, как повернута вторая из призм. Когда поляризатор и анализатор установлены взаимно параллельно, то лучи света проходят через обе призмы (рис. 29, а). Если же анализатор повернуть на 90° (рис. 29, б), то он не пропустит лучей, полученных в поляризаторе; в этом случае после анализатора свет не будет наблюдаться. Такое положение называется постановкой николей «на темноту».
Оптическую активность можно наблюдать в простейшем поляриметре (рис. 30) следующим образом. Между поляризатором Р и анализатором А, поставленными «на темноту», помещают оптически активное вещество R. Поляризованный луч после прохождения через это вещество повернется на угол, соответствующий оптической активности вещества, и подойдет к анализатору не под углом 90°, а под другим. После анализатора виден будет свет. Чтобы погасить его, придется повернуть анализатор на некоторый угол, равный углу поворота плоскости поляризации при прохождении его через вещество R. Таким образом можно определить угол поворота плоскости поляризации. Однако такой поляриметр не может быть использован для точных работ, так как человеческий глаз не способен четко отличить полную темноту от очень слабого света. Глаз легко и точно различает разницу в интенсивности освещения двух лежащих рядом слабоосвещенных плоскостей. Для этого в поляриметре должно быть так называемое «полутеневое» устройство; поляриметр с таким устройством называется полутеневым. Можно получить полутеневой поляриметр, применив вместо обычного поляризатора поляризатор Корню.
Устройство этого поляризатора следующее. Призму Николя распиливают вдоль пополам по линии АВ (рис. 31); затем от каждой половины удаляют острый клин Aba и Abc, обе оставшиеся половины вновь склеивают. Поляризованные лучи, выходящие из правой и левой половин призмы, не будут параллельны один другому, а расположатся под некоторым углом. Поворотом анализатора можно погасить только один из пучков этих лучей, а другой пройдет через анализатор и поле зрения будет состоять из двух половин - светлой и темной (рис. 32, а и в). Если поставить анализатор под одинаковым углом (близким к 90°) к обеим половинам призмы Корню, то получим одинаковое слабое освещение - «полутень» (рис. 32, б).
Призма Корню не совсем удобна, так как в ней видна линия, по которой склеены половины призмы, что мешает наблюдению. Этот недостаток устранен в поляризаторе Липпиха (рис. 33), который состоит из двух призм Николя - большой Р и малой H, расположенных так, что меньшая из них закрывает половину поля зрения и повернута на небольшой угол относительно большой призмы. При этом, если анализатор установлен «на темноту» относительно большой призмы, то одна половина поля будет освещена, а вторая слабо освещена. Если же его установить «на темноту» относительно малой призмы, то первая половина поля будет освещена, а вторая затемнена. Между этими двумя положениями анализатора можно найти такое, при котором оба поля будут слабо и равномерно освещены (см. рис. 32, б).
В контроле бродильных производств применяют поляриметры, предназначенные для определения сахарозы, - так называемые сахариметры. В поляриметрах-сахариметрах анализатор устанавливают неподвижно и вместо вращения анализатора применяют кварцевые компенсаторы. Кварц является оптически активным веществом; существуют две разновидности кварца - право- и левовращающий. Если между поляризатором и анализатором поместить два кварцевых клина - один правовращающий, а другой - левовращающий - так, чтобы толщина слоя одного равнялась толщине слоя другого, то вращательная способность их будет равна нулю.
Кварцевый компенсатор состоит из правовращающей кварцевой пластинки Р и двух левовращающих клиньев К1 и K2 (рис. 34, а), из которых более длинный - К2 может двигаться параллельно клину К1. Если оба клина сложить плотно, то они составят пластинку с параллельными сторонами, вращающую влево. Толщину этой пластинки можно менять, вдвигая более или менее клин К2: если его вдвинуть больше, то левовращающий слой кварца станет толще, чем правовращающая кварцевая пластинка Р, и вся кварцевая система (в целом) будет вращать влево, что даст возможность компенсировать правое вращение исследуемого сахарного раствора. Если выдвигать постепенно назад клин К2, то сначала получится система, не вращающая ни вправо, ни влево (сумма толщин К1 и К2 станет равна толщине Р). Затем, при дальнейшем движении клина, перевесит правая вращательная способность пластинки Р и получится правовращающая система, способная компенсировать левое вращение.
Применяют и другую систему кварцевой компенсации (см. рис. 34,б), которая состоит из двух клиньев K1 и К2. Клин К2 из левовращающего кварца - подвижный, клин К1 из правовращающего кварца - неподвижный. Клинья своими более тонкими концами направлены в одну сторону. Луч света проходит через большую толщину клина К2 и через малую толщину клина K1; в этом случае клиновая система вращает влево и может компенсировать вращение раствора правовращающего вещества. Если же подвижный клин К2 передвинуть так, чтобы на пути света оказалась тонкая часть его, то перевесит правое вращение клина К1 и клиновая система будет вращать вправо, компенсируя вращение какого-либо раствора левовращающего вещества.
Луч света, проходя через клинья К1 и К2, направленные суженными концами в одну сторону, конечно, будет преломляться и изменит свое направление и, кроме того, еще разложится в спектр. Чтобы этого не произошло, ставят дополнительную компенсирующую стеклянную призму С, которая направлена тонким концом в другую сторону по сравнению с клиньями К1 и К2 и поэтому восстанавливает прежнее направление луча света (см. рис. 34, б).
Описанная клиновая кварцевая компенсация называется одинарной. Часто применяются поляриметры с двойной клиновой компенсацией. Двойная компенсация имеет две пары клиньев (рис. 35). Одна пара так называемых контрольных клиньев К изготовлена из правовращающего кварца и служит для измерения вращения левовращающих веществ; вторая пара клиньев, так называемых рабочих клиньев А, изготовлена из левовращающего кварца и служит для измерения вращения правовращающих веществ. Преимущество поляриметров с кварцевым компенсатором заключается в увеличении точности отсчетов, так как толщину кварцевого клина при изменении его положения можно измерить точнее, чем угол поворота анализатора.
Светофильтр. При поляризации бесцветных или слабоокрашенных растворов одна половина поля зрения сахариметра имеет слегка желтоватый оттенок, а другая - голубоватый. Для поглощения и тем самым устранения возможности появления различных окрасок устанавливают светофильтр. В качестве светофильтра применяют трубку с раствором двухромовокислого калия (К2Сг2О7) или желтое стекло. При поляризации окрашенных растворов, например мелассы, которые сами имеют желтую окраску и поглощают лучи нежелательной части спектра, пользоваться светофильтром необязательно. Поэтому при работе с окрашенными растворами в целях улучшения освещения поля зрения иногда выводят светофильтр из оптической системы поляриметра.
Освещение поляриметра. При применении поляриметра с подвижным анализатором необходимо пользоваться монохроматическим (одноцветным) светом, например желтым светом натриевого пламени. Пользоваться в этом случае сложным белым светом нельзя, так как лучи разной длины волны поворачиваются на различные углы и получается вращательная дисперсия: у лучей с короткой волной, например фиолетовых, плоскость поляризации поворачивается на больший угол, чем у лучей с длинной волной, например красных. Поэтому при пользовании сложным белым светом в таком поляриметре нельзя добиться поворотом анализатора слабого равномерного освещения обеих половин поля зрения. Наличие в сахариметре кварцевого компенсатора дает возможность пользоваться обычным белым, а не монохроматическим светом. Вращательная дисперсия для кварца почти такая же, как и для сахарных растворов. Поэтому белый поляризованный свет, разложенный при прохождении через сахарный раствор на составные лучи с различным поворотом плоскости поляризации, при дальнейшем прохождении через кварцевый компенсатор вновь превращается в первоначальный белый свет, а разложенные лучи вновь складываются в первоначальный луч. В качестве источника света для сахариметров применяют матовые лампы накаливания 100 вт; в настоящее время выпускают сахариметры, у которых лампа вставлена в прибор.
Шкалы поляриметра. Существуют поляриметры с круговой и линейной (эмпирической) шкалой. Круговая шкала градуирована в угловых градусах линейная - в процентах сахарозы. В бродильной промышленности применяют поляриметры с линейной шкалой. Эта шкала дает отсчет 100 в том случае, если в 100 мл водного раствора содержится 26,00 г чистой сахарозы и раствор поляризуют в трубке длиной 200 мм; все операции выполняют при 20° С. Навеска 26,00 г называется нормальной. Таким образом, если нормальную навеску х. ч. сахарозы растворить в воде и довести объем раствора до метки в колбе на 100 мл, то такой раствор в трубке длиной 200 мм даст по шкале отсчет, равный 100,0%. Если взять нормальную навеску какого-либо продукта (например, мелассы или сахарного сиропа), содержащего n% сахарозы, то очевидно, по шкале получится отсчет n%. Следовательно, для того чтобы получить непосредственно на шкале поляриметра процент сахарозы в исследуемом продукте, следует соблюдать следующие условия: 1) навеска исследуемого продукта должна быть точно 26,00 г; 2) эта навеска должна быть растворена до объема 100 мл; 3) поляризация раствора проводится в трубке длиной 200 мм.
Линейная шкала поляриметра дает возможность вести отсчет с точностью до 0,1 деления. Для отсчета десятых долей служит нониус. На рис. 36,а показано положение шкалы относительно нониуса, соответствующее отсчету +12,7. При этом нуль нониуса расположен после 12 полных делений шкалы, а седьмое деление нониуса совпадает с одним из делений шкалы. На рис. 36,б показано положение нониуса, соответствующее отсчету -3,2. В этом случае нуль нониуса расположен левее шкалы на три полных деления шкалы, а второе деление нониуса совпадает с делением шкалы.
Поляриметрические трубки и пользование ими. При поляриметрических определениях исследуемый раствор наливают в поляриметрическую трубку (рис. 37). Трубки изготовляют из металла (латунь, медь) и стекла. При исследовании растворов с кислой реакцией следует пользоваться только стеклянными трубками. Длина трубок 100, 200 и 400 мм. Трубка длиной 200 мм считается нормальной. Длину трубок проверяют специальными штангенциркулями, дающими показание с точностью до 0,1 мм. Трубки закрывают покровными стеклами, прижимая их к концам трубок гайками; для уплотнения между покровными стеклами и гайками прокладывают резиновые кольца. Перед употреблением покровные стекла следует вымыть и вытереть досуха. Трубка должна быть чистой и сухой. Высушивают трубку, проталкивая сквозь нее деревянной палочкой тампон из фильтровальной бумаги. Если перед наполнением трубка не была высушена, то ее ополаскивают 2 раза исследуемым раствором. Наполняют трубки следующим образом: трубку закрывают с одного конца стеклом и гайкой, берут ее двумя пальцами, держат наклонно (чтобы в трубку не увлекались пузырьки воздуха) и наливают в нее столько жидкости, чтобы она выступала поверх краев трубки в виде капли. Затем закрывают трубку сверху покровным стеклом, двигая его с одной стороны в горизонтальном направлении по бортику трубки, как бы срезая выступающую каплю жидкости; закрывать трубку надо быстро и аккуратно так, чтобы под покровным стеклом не осталось пузырька воздуха. Если это не удалось сделать сразу, то, вытерев досуха стекло и долив трубку, следует повторить эту операцию. Покровные стекла нельзя прижимать слишком сильно, так как при этом они могут стать оптически активными.
Схема сахариметра. Выпускаемые в настоящее время Киевским заводом КИП сахариметры СУ-1 и СУ-2 имеют следующую схему (рис. 38). Свет от электролампы 1 проходит через матовое стекло 2 или светофильтр 3, затем через конденсаторную линзу 4 и поступает в поляризатор 5. Поляризованный луч из поляризатора проходит два защитных стекла 6 и 7, между которыми помещается поляриметрическая трубка с исследуемым раствором. За защитным стеклом 7 установлен кварцевый компенсатор, состоящий из трех клиньев: подвижного кварцевого клина 8, стеклянного контрклина 9 и неподвижного кварцевого клина 10. Далее установлен анализатор 11 и зрительная труба, состоящая из двухлинзового объектива 12, 13 и окуляра 14. От электролампы 1 свет попадает также в отражательную призму 15 и, отражаясь, падает на защитное стекло 16. Это стекло рассеивает свет, который затем освещает шкалу 17 и нониус 18. Цифры и деления на шкале и нониусе рассматривают в увеличенном виде при помощи окуляра, состоящего из двух линз 19 и 20. Шкала 17 связана с подвижным кварцевым клином 8. Таким образом, смещение подвижного кварцевого клина 8, пропорциональное углу вращения плоскости поляризации, передается на шкалу 17 и отсчитывается при помощи окуляра шкалы 19-20.
Установка сахариметра. Сахариметр должен быть установлен на столе в темной комнате длиной около 2 и шириной 1,2 м со стенами, окрашенными в черный цвет. Если такой комнаты нет, над поляриметром устанавливают колпак из фанеры. Длина колпака 1,2, ширина 0,9 и высота 0,8 м. Изнутри колпак окрашивают в черный цвет. На отверстие колпака, обращенное к наблюдателю, навешивают портьеру из темной и плотной материи. Для удобства работы стол с прибором должен быть расположен так, чтобы поляризующий сидел спиной к окну. Это исключает проникновение дневного света в глаз наблюдателя и уменьшает утомляемость глаз при наблюдении. У стола, на котором установлен сахариметр, должны быть два выключателя: один - к электролампе, освещающей поляриметрическую комнату, а второй - к электролампе прибора.
Практика пользования сахариметром. Поляризацию проводят следующим образом. Окуляр анализатора 1 (рис. 39) устанавливают на ясную видимость и вращением винта 2 добиваются одинаковой интенсивности освещения обеих половин поля зрения; показания сахариметра при этом должны быть равны нулю. Затем в камеру сахариметра 3 помещают поляриметрическую трубку, наполненную исследуемым раствором. Поле зрения сахариметра разделяется по вертикальной линии на две половины (см. рис. 32, а) - темную и светлую. Тогда вращением винта 2 вновь добиваются одинаковой интенсивности освещения обеих половин поля зрения, после чего проводят отсчет. Для большей точности следует проводить поляризацию 2-3 раза подряд (не вынимая трубки) и из полученных отсчетов выводить среднее.
Сахариметр следует содержать в абсолютной чистоте. Поляриметрическая трубка, помещенная в сахариметр, должна быть совершенно сухой и чистой. Правильность показаний сахариметра проверяют специальными контрольными трубками.
Осветлители
Растворы исследуемых продуктов для поляризации должны быть совершенно прозрачны и возможно меньше окрашены. Чем интенсивнее окраска раствора, тем труднее проводить или сахара, так как меньше заметна разница в интенсивности освещения обеих половин поля зрения. Поэтому окрашенные продукты перед поляризацией осветляют. При осветлении удаляются также другие оптически активные вещества, например белки. Так, при исследовании мелассы ее осветляют реактивом Герлеса. Этот реактив состоит из двух растворов: Герлес I и Герлес II. Герлес I представляет собой раствор азотнокислого свинца, Герлес II - раствор едкого натра. При исследовании сахарной свеклы и других сахарсодержащих продуктов в качестве осветлителя применяют основной уксуснокислый свинец, для крахмалсодержащих продуктов - молибденовокислый аммоний.
Автоматический сахариметр
В настоящее время Киевский завод КИП выпускает фотоэлектрический автоматический поляриметр типа СА конструкции В. И. Кудрявцева. Этот поляриметр выполняет автоматически компенсацию вращения плоскости поляризации раствором и дает отсчет процентного содержания сахара. Основная схема сахариметра конструкции Кудрявцева (рис. 40) такова. Свет от электролампы 1 через конденсор 2 поступает в поляризатор 3. Поляризованный свет, плоскость поляризации которого приводится в колебание магнитооптическим модулятором 4, проходит через светофильтр 5, поляриметрическую трубку с исследуемым раствором 6, диафрагму 7, кварцевый компенсатор 8, 10, стеклянный контрклин 9, анализатор 11 и попадает на фотоэлемент 12. Фотоэлемент преобразует колебания интенсивности света в переменный электрический ток.
В отличие от обычного поляриметра роль поляризатора и анализатора выполняют не призмы Николя, а поляроиды, состоящие из пластинки с нанесенным слоем органических соединений йода; поляроиды устанавливаются в положении «накрест». При отсутствии трубки с раствором оптически активного вещества свет из анализатора не выходит. Когда между поляриметром и анализатором помещают трубку с исследуемым раствором, то на фотоэлемент падает свет, интенсивность которого зависит от угла вращения плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации исследуемым раствором компенсируется перемещением подвижного клина 8 кварцевого компенсатора, причем это перемещение пропорционально углу вращения плоскости поляризации, следовательно, пропорционально и концентрации раствора.
Отсчет показаний прибора проводится по шкале 19, связанной с подвижным клином 8 кварцевого компенсатора и снабженной нониусом 18. Для удобства отсчета показаний деления и цифры шкалы и нониуса проецируются на полупрозрачный экран 21 оптической проекционной системы, состоящей из осветителя 16, конденсора 17 и объектива 20. Подвижный клин и связанная с ним шкала перемещаются реверсивным двухфазным двигателем 13 через редуктор 14 и кремальерную передачу 15. Одна из обмоток электродвигателя питается через понижающий трансформатор 26 и стабилизатор напряжения 27 от сети переменного тока с частотой 50 гц. Вторая обмотка питается от усилителя переменного тока 22, на входе которого включен фотоэлемент 23. Ток на усилитель поступает через выпрямители 24 и 25. Электродвигатель вращается при подаче на обмотки переменного напряжения с частотой 50 гц.
Определение содержания сахарозы в мелассе
Содержание сахарозы в мелассе определяют следующим образом. Нормальную навеску мелассы (26,00 г) с помощью теплой воды (здесь и далее, где специально не оговорено, имеется в виду дистиллированная вода) переводят в мерную колбу на 100 мл, охлаждают до 20° С, прибавляют для осветления 8-10 мл растворов реактива Герлеса. Растворы Герлеса добавляют в 4-5 приемов; после каждого прибавления раствора азотнокислого свинца добавляют такое же количество раствора едкого натра, смесь перемешивают легким вращением колбы в течение 1,5-2 мин, затем опять в том же порядке прибавляют осветлитель. Содержимое колбы доводят до метки водой (при температуре 20° С), взбалтывают и после 2-5 минутного стояния фильтруют и поляризуют в трубке длиной 200 мм. Показание поляриметра дает непосредственно процент сахарозы в исследуемой мелассе.
Определение содержания крахмала в зерне
Содержание крахмала в зерне определяют по методу Эверса, который предусматривает превращение нерастворимого крахмала зерна в растворимый путем нагревания с разбавленной соляной кислотой. Навеску размолотого зерна 5,0000 г (т.е. с точностью до 0,0001 г) количественно переносят (через воронку с отрезанным концом) в сухую мерную колбу на 100 мл, приливают 25 мл 1,124%-ной соляной кислоты, ополоснув ею стаканчик, в котором взвешивали. Следующими 25 мл кислоты смывают частицы зерна со стенок колбы. Смесь перемешивают и колбу помещают на 15 мин в кипящую водяную баню, причем в тёчение первых трех минут содержимое колбы размешивают плавными круговыми движениями. Необходимо наблюдать, чтобы вода в бане покрывала всю колбу, а кипение было энергичным и не прекращалось при погружении колбы.
По истечении 15 мин колбу вынимают, вливают в нее 40 мл воды, взбалтывают и быстро охлаждают до 20° С. Для осветления раствора и осаждения белков прибавляют 4-6 мл раствора молибденовокислого аммония, доливают до метки водой, взбалтывают и фильтруют через сухой фильтр в чистую сухую колбу. Во избежание испарения воронку покрывают стеклом. Первые 20 мл фильтрата выливают, а последующие немедленно поляризуют в стеклянной трубке длиной 200 мм.
При исследовании крахмалсодержащих продуктов (зерна, картофеля) поляриметр не покажет непосредственного содержания крахмала. Для того чтобы рассчитать содержание крахмала, поступают следующим образом. Из формулы удельного вращения находим С:
При пользовании поляриметром с линейной шкалой формула приобретает следующий вид:
где П - показания поляриметра с линейной шкалой; 0,3468 - коэффициент перехода от линейной шкалы поляриметра к круговой.
Для определения крахмалистости зерна применяют навеску 5 г и растворяют крахмал до объема 100 мл разбавленной соляной кислотой. Пользуясь приведенной формулой, получают содержание крахмала в 100 мл раствора или (что то же) в 5 г навески. Процентное содержание крахмала в зерне находят умножением результата расчета на 20 (100:5 = 20).
Следовательно, крахмалистость зерна К можно рассчитать по формуле
В указанной формуле все величины, кроме П (показания поляриметра), постоянные. Поэтому можно написать К = kП, где k - постоянный коэффициент. Коэффициенты k для разных видов крахмала несколько различны, так как различны значения удельного вращения крахмала отдельных зерновых культур. Коэффициенты k были вычислены Эверсом и называются коэффициентами Эверса. Эти коэффициенты вычислены для навески 5 г при применении мерной колбы на 100 мл и поляриметрической трубки длиной 200 мм.
Приводим значения удельного вращения и коэффициента Эверса для различных видов крахмала.
Процентное содержание крахмала получают умножением показания шкалы поляриметра на соответствующий коэффициент Эверса.
Пример. При анализе пробы кукурузы показания поляриметра 28,4. Содержание крахмала составит 28,4 * 1,849 = 52,51%.
А. Н. Бондаренко и В. А. Смирнов считают, что удельное вращение крахмалов, выделенных из зерна хлебных и крупяных культур, при растворении в 1,124%-ной соляной кислоте и определении по методу Эверса одинаково и равно 181,0°. Соответственно будет одинаков и коэффициент Эверса, равный 1,910.
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ»
Кафедра физики
Лаборатория оптики и физики атома №2(012)
РАБОТА № 8
ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА
Составили: Ульянов А.И.
Воронцова Е.Н.
Ижевск, 2010
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА
ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА
Приборы и принадлежности: 1- поляриметр, 2 - трубки с раствором сахара.
С точки зрения электромагнитной теории видимый свет представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитная волна является результатом процесса взаимного превращения переменных во времени электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна в любой момент времени характеризуется определёнными значениями и направлениями вектора Е (напряжённости электрического поля) и вектора В (индукции магнитного поля), а также направлением вектора скорости V (рис. 1). Как видно из рис.1, электромагнитные волны являются поперечными, а вектора В , Е и V взаимно перпендикулярны.
Поскольку физическое и физиологическое (на глаз человека) воздействие оказывает вектор напряженности электрического поля Е , то в дальнейшем мы будем рассматривать только вектор Е . Плоскость колебания вектора Е является плоскостью поляризации электромагнитной волны, а электромагнитная волна, в которой вектор Е колеблется в одной плоскости – плоско поляризованной. Например, плоскостью поляризации одиночной волны, представленной на рис. 1, является плоскость листа бумаги. Если смотреть на волну, приведённую на рис. 1, с направления, при котором вектор скорости направлен нас, то плоскость колебания вектора Е будет выглядеть так, как это представлено на рис. 2а . Отсюда следует, что одиночная электромагнитная волна является плоско поляризованной.
Рассмотрим с этой точки зрения естественный источник света, например, свет от лампы накаливания. Электрический ток, проходя через вольфрамовую нить лампы накаливания, передаёт свою энергию атомам вольфрама, внешние валентные электроны которых переходят в возбужденное состояние, то есть в состояние с более высокой энергией. Через короткий промежуток времени (≈ 10 -8 с) электроны из возбужденного состояния переходят в состояние с более низкой энергией с одновременным излучением порций (цугов) электромагнитных волн, которые уносят "излишек" энергии электронов. Вектор Е каждого цуга электромагнитных волн колеблется в одной плоскости. Однако плоскости колебания вектора Е различных цугов волн ориентированы в пространстве произвольным образом. Поскольку в нити накаливания лампы электромагнитные волны излучает огромное количество атомов вольфрама, то ориентация плоскостей колебания вектора Е множества электромагнитных волн в любом направлении будет равновероятна (рис. 2б ).
Такой свет называют естественным. Следовательно, в естественном свете нет каких-либо преимущественных направлений колебания вектора Е. Примером естественного света является солнечный свет, свет от лампы накаливания и других источников света, за исключением света от лазеров. Лазеры излучают плоско поляризованный свет.
Существует несколько типов приборов, с помощью которых естественный свет можно превратить в плоско поляризованный. Один из них основан на явлении двойного лучепреломления света в анизотропных кристаллах. В анизотропных кристаллах диэлектрическая проницаемость различна для разных кристаллографических направлений. А диэлектрическая проницаемость, как известно, определяет показатель преломления диэлектрической среды. В результате показатель преломления луча будет зависеть от ориентации вектора Е относительно кристаллографических направлений кристалла. При некоторой ориентации падающего луча естественного света относительно анизотропного кристалла преломлённые лучи, с взаимно перпендикулярной плоскостью поляризации, выходят из кристалла под различными углами.
Так если естественный луч света направить под прямым углом к поверхности анизотропного кристалла исландского шпата, то он разделяется на два луча (рис. 3). Один луч проходит без преломления, он называется обыкновенным (о) лучом. Второй луч испытывает в кристалле преломление и называется необыкновенным (e). Не вдаваясь в подробности этого явления, заметим, что оба вышедшие из кристалла лучи оказываются плоско поляризованными, причем плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны. На рис. 3 направление поляризации этих лучей условно показано точками и стрелочками (стрелочки иногда заменяют черточками).
Для получения плоско поляризованного света необходимо разделить лучи (о ) и (e ), вышедшие из кристалла. Этого можно достичь с помощью призмы Николя. Призма Николя (или просто николь) представляет собой кристалл исландского шпата, распиленный по меньшей диагонали и склеенный канадским бальзамом (рис. 4),
показатель преломления которого меньше, чем у исландского шпата. Грани кристалла ошлифованы так, что каждая половина николя представляет в сечении прямоугольный треугольник с острыми углами в 68 0 и 22 0 . Если естественный луч направить на николь под некоторым углом к оптической оси (О-О) кристалла, то необыкновенный луч (е ) проходит
через николь. Обыкновенный же луч (о ) сначала преломляется, а затем испытывает полное внутренне отражение, т.к. показатель преломления канадского бальзама меньше, чем исландского шпата. Боковая поверхность николя покрыта черной краской и поэтому падающий на неё луч (о ) полностью поглощается и из николя выходит, только один плоско поляризованный луч е . Таким образом, призмы Николя являются поляризаторами, которые дают плоско поляризованный свет высокого качества.
Некоторые вещества, например, раствор сахара обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными . Причина этого эффекта в том, что в некоторых сложных молекулах расположение атомов в какой-то степени напоминает правый или левый винт. Вектор Е плоско поляризованного света, проходящего через оптически активное вещество, взаимодействует с электрическим полем спиралеобразных молекул. В результате происходит вращение плоскости колебания вектора Е световой волны на некоторый угол α, как это показано на рис. 5.
Угол α может быть определён следующим образом. Известно, что интенсивность света, прошедшего через два поляроида, определяется законом Малюса: J 2 = J 1 cos 2 φ, где J 1 и J 2 - интенсивность плоско поляризованного света после первого и второго поляроида, соответственно, а φ -угол между плоскостями поляризации этих поляроидов. Если установить поляроидам угол = 90 0 (скрещенные поляроиды), то свет через низ проходить не будет (смотри формулу закона Малюса), и если через них посмотреть на свет, то поле зрения будет темным.
При помещении между поляроидами оптически активного вещества, например, кюветы с сахаром, свет через скрещенные поляроиды начнет проходить, так как оптически активное вещество повернёт плоскость поляризации проходящего через неё света на угол α. Но если второй поляризатор (анализатор), повернуть соответствующим образом на угол α, то поляроиды снова перестанут пропускать свет. На этом принципе и основано определение угла вращения оптически активной средой плоскости поляризации поляризованного света в специальных приборах - поляриметрах.
Кроме сахара, оптически активными веществами являются камфара, скипидар, кварц и многие другие вещества. Для растворов оптически активных веществ угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине столба раствора ℓ и концентрации растворенного вещества С:
= []ℓ C
В этой формуле коэффициент [] определяет удельное вращение плоскости поляризации света данным веществом. Значения [] характерны для каждого оптически активного вещества и являются табличными данными.
Зная удельное вращение раствора [], длину столба раствора ℓ и измеренное значение угла поворота плоскости поляризации , можно определять концентрацию раствора:
(1)
В настоящей работе требуется определить концентрацию раствора сахара с помощью специального прибора - поляриметра. В данной лабораторной работе может быть использовано два типа поляриметров. Вам необходимо спросить преподавателя о марке поляриметра, на котором Вы будете проводить измерения, и прочитать правила работы с этим прибором.