蔗糖溶液旋光率相关因素的实验研究

2015-07-10许巧平

当代化工 2015年9期

许巧平

摘要：利用现有实验仪器及旧仪器的零部件加以改装，自组光路，通过控制变量的方法，改变溶液温度及入射光波长，探究了它们对蔗糖溶液旋光率的影响。

关键词：旋光现象；旋光率；蔗糖溶液；温度；波长

中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）09-2134-03

Abstract： The influence of the temperature and wavelength on sucrose solution rotation rate was investigated by controlling variable method with the existing experimental instruments and old instrument parts.

Key words： rate of optical phenomena； optical rotation rate； sucrose solution； temperature； wavelength

光的偏振现象是判断光是一种横波的重要依据。为了加深对偏振概念的理解，目前各高等院校普遍开设“用旋光计测定糖溶液的浓度“这一实验，采用的仪器是旋光仪[1-3]。该实验尽管操作容易，但在教学中却存在以下几种弊端：1）旋光仪的起偏和检偏装置被封装在仪器内，不能直观，不利于学生对偏振光测量原理的理解。2）测量物质旋光度时，利用半荫法判断三分视场的弱照度相等位置判断仅仅是靠人眼来实现的，由于人眼的局限性及个体差异的影响，判断不很准确。3）测量内容单一：只能利用钠光灯这一波长的光对物质旋光率进行测量。为了提高测量准确度，扩展实验内容，提高教学效果，我们在原有的实验设备的基础上增加了水浴控温装置，改变待测物质的温度，定量的研究了温度对物质旋光率的影响；另利用旧仪器零部件自行组装光路，用不同波长的光对蔗糖溶液旋光率的进行了测量；研究了蔗糖溶液的旋光率与温度及波长等相关因素之间的关系。

1 测量原理

实验证明，对某一旋光溶液，当入射光的波长给定时，旋光度与偏振光通过溶液的长度l及溶液的浓度c成正比，即[4-6]

式中旋光度的单位是度；偏振光通过溶液的长度l的单位是分米（dm）；溶液浓度的单位为克每毫升或克每立方厘米（g·mL-1或g.cm-3），是该物质的旋光率，表示物质的旋光本领，它等于光在该物质中通过单位长度和单位浓度的溶液后引起的振动面的旋转角度，其单位为：°·mL·dm-1·g-1。由于测量时的温度及入射光波长对物质的旋光率都有影响，因而，应标明测量旋光率时所用的波长及测量时的温度。由（1）式可知，旋光性溶液的旋光率为，如果已知待测溶液浓度c和液柱长度l，只要知道旋光度就可以通过上式计算出旋光率；同样，如果已知待测溶液旋光率和液柱长度l，可以测量旋光性溶液的旋光度，确定未知浓度溶液的浓度c。

2 测量内容

2.1 旋光率与波长的关系

1）实验装置

图1中，高压汞灯经滤色片变成单色光，光源输出的光经检偏器后的线偏振光的电场振幅为A，线偏振光的振动方向与检偏器的透振方向互成角，那么沿检偏器的透振方向振幅分量为，透射光强为[3] ；当时，。

因此，当转读度盘手轮（连动检偏器）时，在光电探测器中会出现消光现象，数字检流计上电流值应为零或出现最小值。记下此时读盘及游标的读数即零点位置。在检偏器前加入蔗糖溶液后，由于蔗糖溶液具有旋光性，再次转动检器时，直至再次出现消光现象。

1.汞灯；2.毛玻璃；3.滤色片 4.起偏镜；5.半波片； 6.试管；

7.检偏镜；8.度盘及游标；9.目镜；10.光电接收器；11. 数字检流计

记下读盘读数两次读数之差即为蔗糖溶液的旋光度。由上述测量原理可知，旋光度与所通过旋光性物质的厚度l成正比，与溶液的质量浓度c成正比，即由公式（1）得

由式（2）可知，若蔗糖溶液的旋光率已测出，只要再测出未知蔗糖溶液的旋光度和液柱长，即可算出未知蔗糖溶液的质量浓度c。由（3）式可知，用浓度、长度恒定的待测溶液，旋光率正比于旋光度。通过改变光源的波长，得出旋光度与波长的关系即可得到旋光率与波长的关系。

2）实验测量步骤

（1）配制蔗糖溶液。在室温（t=21.00 ℃）下，用电子分析天平配制质量浓度c=0.10 g/cm3的蔗糖溶液，装入长l=2 dm的标准玻璃试管中。注意试管两端的螺旋不能旋得太紧，一般以随手旋紧不漏水为止，以免保护片产生应力而引起视场亮度的变化，影响测量的准确度。最后将两端残液擦干净。

（2）将光源汞灯（带有不同波长的滤色片）、待用支架、起检偏器、及带有检偏器的度盘手轮（从旧仪器上卸下）及游标、光电探测器、数字检流计等按图1所示位置摆放在光具座上，将控硅光电池专用线与数字检流计相连。调节各光学元件共轴等。用T形辅助棒依次检查并调整各光学元件，使各元件的中心大致在同一直线上，使光束垂直通过起偏器、检偏器的光学面以及光强探测器的接收面积中心，具体调节可参阅文献[7]。

（3）打开数字检流计，WJF 型数字式检流计示在（0.04～19.99）×10-7A变化，此时光电池的输出电流随光强变化的线性度最好[7]，使未放样品时，转动检偏器，使得出现消光稳定后（数字检流计的示数最小时）记下度盘及游标（左右）示数、。

（4）保持各光学元件不动，在检偏器前加入已配制好的蔗糖溶液，重新转动检偏器，再次得到透射光消光位置的度数、。测量结果见表1，代入公式计算旋光率=72.05°·mL/（dm·g）。

（5）换取不同波长的滤色片可获得的单色光及用激光直接作为入射光。分别测量，可得不同波长的光入射时蔗糖溶液的旋光率，测量结果见表2。

小结：应用最小二乘法对表2中的数据进行处理，旋光率与光源波长之间的关系式为

（单位为nm）

线性相关系数r=0.9932。由此可见蔗糖溶液的旋光率与波长的平方成反比。

2.2 温度对蔗糖溶液旋光率的影响

1）实验仪器与用品

WXG-4圆盘旋光仪，快速电热水壶，试管，浓度不同的蔗糖溶液等。

2）实验主要过程

对不同浓度的蔗糖溶液，通过水浴加热的方法，分别测量不同温度时溶液对应的旋光度，记录并计算出对应的旋光率。

3）实验结果与讨论

通过、冰水混合、水浴加热的办法，对浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%（g/mL）的蔗糖溶液进行加热，试管长度为20 dm，在不同温度下测其旋光度，发现实验效果并不明显，旋光度变化很小或基本无变化。如果用浓度为50%（g/mL）的蔗糖溶液，试管长度为20 dm，在不同温度t下进行测量，得到蔗糖溶液的旋光率见表3。

小结：由表3数据看出，温度对蔗糖溶液旋光率有效影响范围是大概15 ℃到65 ℃，在此间范围内，温度每升高1℃，蔗糖溶液旋光率大约下降α=0.02（°·mL·dm-1·g-1）；在1 ℃到15 ℃之间温度变化对物质旋光率影响并无规律，也不明显；在65 ℃到85 ℃之间时，观察不到温度变化对物质旋光率的影响。

3 结语

1）利用实验室现有仪器自行设计光路，原理简单，光路便于调节，测量准确度较高。

2）在暗室中可以清晰地观察到激光在蔗糖溶液中旋光现象，激发学生对实验的兴趣。

3）在用滤波片获取照度较弱的单色光做光源时，采用光电接收器及数字检流计来判断消光位置，避免了实验者视觉的个体差异，提高了读数的准确性。

4）该实验得出了一定浓度的糖溶液旋光率随

温度（一定范围内）升高而略有增大；而与入射光波长的平方近似成反比关系。

5）此实验方法对研究各种具有旋光特性固

体、液体等物质的旋光特性都适用，且对旋光实验教学有一定的参考价值。

6）实验时应注意在布置光路时，为防止光强耗散，尽量缩短各元件之间的距离。

参考文献：

[1]宋家鳌，王立.大学物理实验[M]. 西安：陕西人民出版社，2002：126-130.

[2]杨述武. 普通物理实验：光学部分[M]. 北京：高等教育出版社， 2000： 131-135.