Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Wyznaczanie skręcalności właściwej i stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru półcieniowego, Laboratoria z Fizyka

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika skręcenia właściwego tzw. skręcalność właściwa, płaszczyzny polaryzacji światła dla wodnego roztworu cukru. Wykorzystanie zjawiska skręcenia kąta płaszczyzny polaryzacji do wyznaczenia nieznanego stężenia wodnego roztworu cukru

Typologia: Laboratoria

2019/2020

Załadowany 16.07.2020

Glass_Duo
Glass_Duo 🇵🇱

4.5

(21)

240 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Wyznaczanie skręcalności właściwej i stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru półcieniowego i więcej Laboratoria w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Wyznaczanie skręcalności właściwej i (…) – 1/6 – Oprac. T. M. Molenda, IF US Zad. E02 I PRACOWNIA FIZYCZNA Instytut Fizyki US Temat: Wyznaczanie skręcalności właściwej i stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru półcieniowego Cel: wyznaczenie współczynnika skręcenia właściwego tzw. skręcalność właściwa, płaszczyzny polaryzacji światła dla wodnego roztworu cukru. Wykorzystanie zjawiska skręcenia kąta płasz- czyzny polaryzacji do wyznaczenia nieznanego stężenia wodnego roztworu cukru. Przyrządy: polarymetr półcieniowy firmy Zeiss, lampa sodowa o długości fali światła żółtego 589,3 nm, waga, cylindry miarowe, kolby, zlewki, woda destylowana, cukier, lejek. 1. ZAGADNIENIA 1. Zjawisko polaryzacji światła, rodzaje i metody polaryzacji światła. Płaszczyzna polaryzacji światła. 2. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła przez substancje optycznie czynne. Prawo Biota. 3. Budowa i zasada działania polarymetru półcieniowego. 4. Rola płytki półcieniowej w precyzyjnym odczycie. Prawo Malusa i prawo Webera-Fechnera. 5. Zasada działania noniusza. 2. OPIS ZAGADNIENIA Światło liniowo spolaryzowane rozchodzi się bez zmiany płaszczyzny polaryzacji w próżni i w większości ośrodków przeźroczystych. Istnieją jednak substancje zwane optycznie czynnymi, któ- re wywołują skręcenie płaszczyzny polaryzacji. Substancje te skręcają płaszczyznę polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo na skutek asymetrii budowy cząsteczek (cząsteczki nie posiadające sy- metrii względem odbicia od płaszczyzny ponadto zawierające przewagę cząsteczek jednego rodzaju – prawo- lub lewoskrętnych). Przykładem ciekłej substancji aktywnie czynnej jest roztwór sacharozy, czyli zwykłego cukru. W wodnym roztworze cukru za to skręcenie odpowie- dzialny jest asymetryczny atom węgla w cząsteczce cukru, ponadto sacharoza produkowana przez ziemskie organizmy (w tym burak cukrowy) jest w całości złożona z cząsteczek jednego ro- dzaju, jest więc optycznie czynna. (Sacharoza wyprodukowana chemicznie jest natomiast mieszaniną równej ilości cząsteczek „prawych” i „lewych”, nie skręca więc płaszczyzny pola- ryzacji.) Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji będzie proporcjonalny do liczby cząsteczek, jakie napotka światło na swojej drodze. Oznacza to, że kąt skręcenia  płaszczyzny polaryzacji będzie pro- porcjonalny do długości l drogi przebytej przez światło (o danej długości fali) i stężenia roztworu   =  l, (1) gdzie  – skręcalność właściwa (stosowana też jest nazwa: zdolność skręcająca właściwa roztworu)  – stężenie masowe roztworu l – długość drogi promienia światła w rurce z roztworem (długość rurki pomiarowej). Uwagi: 1. W przypadku gdy cząsteczki substancji optycznie czynnej nie ulegają zmianie w rozpuszczalniku, wzór (1) – tzw. prawo Biota, daje wyniki zgodne z doświadczeniem (np. dla sacharozy). 2. Skręcalność właściwa roztworu zależy od temperatury, długości fali światła. 3. Stężenie masowe (stężenie masowo-objętościowe) – stosunek masy m danej substancji do obję- tości V roztworu:  = m/V. Ponieważ ze zmianą temperatury roztworu objętość jego zmienia się, możemy wyrazić zawartość substancji optycznie czynnej w roztworze przez ułamek wagowy w ja- ko stosunek masy m substancji optycznie czynnej do masy M roztworu: w = m/M (wielkość ta nie zależy od temperatury). Jeżeli w danej temperaturze gęstość roztworu jest  , to stężenie masowe substancji optycznie czynnej jest równe   = w. (2) Wyznaczanie skręcalności właściwej i (…) – 2/6 – Oprac. T. M. Molenda, IF US Korzystając z (1) i (2) skręcalność właściwą roztworu możemy obliczyć ze wzoru: l   w  . (3) Wartości skręcalności właściwej  roztworu cukru wyznaczone będą przy użyciu polarymetru półcieniowego za pomocą którego mierzymy kąty i skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła. Pola- rymetry stosowane do roztworów cukru noszą nazwę sacharymetrów. 3. UKŁAD POMIAROWY Układ pomiarowy – rys. 5, składa się z polarymetru – rys. 1, sodowej lampy spektralnej z zasilaczem, rurki polarymetrycznej. Polarymetr przystosowany jest do wygodnej obserwacji przez ukośne usta- wienie na kolumnie umieszczonej na okrągłej podstawie. Pojemnik z lampą podtrzymywany jest przez ramię przymocowane do podstawy kolumny. Przestrzeń, w której umieszcza się rurkę jest chroniona przed światłem z zewnątrz przez zamykaną osłonę. Rys. 1. Schemat budowy polarymetru półcieniowego firmy Zeiss. Rys. 2. Obraz skal polarymetru. Promienie świetlne po wyjściu ze źródła światła (1) i przejściu przez kolimator (soczewka skupia- jąca) (2) przenikają, jako wiązka równoległa przez filtr (żółty) (3) a następnie przez polaryzator (4), który wytwarza światło spolaryzowane. Na drodze spolaryzowanej wiązki stoi płytka półcieniowa (tzw. płytka Laurenta) (5), która zasłania środek pola widzenia i dzieli je na trzy części (rys. 3). Część środkowa kołowego otworu w przysłonie (15) jest zasłonięta płytką Laurenta. Badana substancja, optycznie czynna, umieszczona jest w rurce polarymetrycznej (6), skręca płaszczyznę polaryzacji przechodzącego światła. Poprzez drugi filtr polaryzacyjny – analizator (7), który służy do pomiaru kąta skręcenia, światło dostaje się do lunetki obserwacyjnej składającej się z obiektywu (8) i okularu (9). Analizator obracany jest za pomocą gałki pokrętnej (14) umieszczonej na obudowie polarymetru. Ustawienie lunetki na ostrość widzenia linii podziału (krawędzi płytki Laurenta) dokonujemy za po- mocą karbowanej nakrętki (9), której obracanie przesuwa okular wzdłuż osi lunetki. Odczytanie kąta skręcenia analizatora umożliwia połączone z nim koło podziałkowe (13) z dwoma skalami kątowy- mi o zakresie 0 – 180, umożliwiają odczyt kąta co 1 oraz 2 skale noniusza. Dwie lupki (12) umieszczone w muszli okularu (11) ułatwiają odczytanie podziałki z rys. 2 (widoczne powiększenie). Przykładowy obraz 2 skal polarymetru z noniuszami (lewy – L i prawy – P) widziany przez lupki, przedstawia rys. 2. Całkowitą ilość stopni określa kreska zerowa noniusza. Noniusz z 20 podziałkami pozwala na pomiar kąta z dokładnością 0,05 tj. 3. Odczytu dokonujemy na tej samej zasadzie jak dla suwmiarki z noniuszem. Przyjmując oznaczenia dla wartości kąta na skali lewej –  L i prawej –  P z rys. 2 możemy odczytać:  L = 9,30 i  P = 9,30 (wartość kąta:  =  śr = ( L +  P )/2). Polaryzatory (4) i (7) są zasadniczymi elementami przyrządu. Natężenie przechodzącego światła jest, zgodnie z prawem Malusa, proporcjonalne do kąta ich skręcenia  .cos~ 2I (4) Wyznaczanie skręcalności właściwej i (…) – 5/6 – Oprac. T. M. Molenda, IF US Uwaga: Skręcalność właściwa świeżo przygotowanego roztworu cukru nie jest stała i dopiero po kilku godzinach przyjmuje wartość końcową (mutarotacja), która stanowi ok. połowy wartości początkowej. B. Zestawić wyniki i niepewności pomiaru. 6. Dokonać dyskusji wyników, zapisać wnioski i uwagi dotyczące doświadczenia. LITERATURA 1. Dryński T.: Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. PWN, Warszawa 1980 (lub inne wyd.). 2. Mazurkiewicz J., Rębilas K., Wyznaczanie stężenia roztworów cukru przy pomocy polarymetru. Pracownia Fizyczna, UR w Krakowie. http://krzysztofrebilas.republika.pl/Gotowe/cw-45.pdf 3. Magiera A. (red.): I Pracownia fizyczna. p. 4.10: Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła w cieczach. Wyd. IV, IF UJ 2014; http://www.1pf.if.uj.edu.pl/documents/5046939/5227638/skrypt.pdf 4. Polarymetr. Pracownia Fizyczna, WFiIS AGH; http://www.fis.agh.edu.pl/~pracownia_fizyczna/cwiczenia/74_opis.pdf 5. Pomiar skręcenia płaszczyzny polaryzacji wywołanej przez roztwór sacharozy oraz wyznaczenie skręcalności właściwej. I Pracownia Fizyczna, WFiIS UŁ; http://kawe.wfis.uni.lodz.pl/IPF/Instrukcje/O-17.pdf 6. Szczeniowski S.: Fizyka doświadczalna, cz. IV, Optyka. PWN, Warszawa 1983; str. 476-477. 7. Kalibracja polarymetru (wyznaczenie punktu „0”) WIMiC AGH; http://home.agh.edu.pl/~dabek/Kalibracja_polarymetru.pdf * Prawo przenoszenia niepewności względnych Szczególny przypadek, jeśli funkcja jest w postaci jednomianu n nxxxcy  ...21 21 , wówczas względna niepewność pomiaru wielkości złożonej y (złożona niepewność względna)     n i ii xu y yu u 1 2 r c rc, )( )(  , gdzie ur(xi) – względna niepewność pomiaru wielkości xi : . )( )(r i i i x xu xu  Niepewność całkowita wielkości x mierzonej bezpośrednio: )( 3 )( 3 )( )( )1( 1 )( 2e 2 t 2 d2 1 xu xx xx nn xu n i i          gdzie pierwszy składnik pod pierwiastkiem – niepewność standardowa średniej następnymi przyczynkami niepewności pomiaru są dx – niepewność wzorcowania (niepewność wynikająca z dokładności przyrządu) tx – niepewności wyników zaczerpniętych z literatury, tablic lub kalkulatora ue(x) – niepewność standardowa eksperymentatora. Wyznaczanie skręcalności właściwej i (…) – 6/6 – Oprac. T. M. Molenda, IF US Tabela 1. Gęstość wodnego roztworu cukru (sacharozy C12H22O11) w zależności od jego stężenia procentowego (ułamka wagowego) Ułamki wagowe roztworu sacharozy Temperatura, °C 15 20 25 w , % gęstość, kg/m3 0 999,13 0998,23 0997,07 10 1023,40 1022,10 1020,70 15 1035,90 1034,50 1032,9 20 1048,60 1047,00 1045,3 4 1014,84 1013,88 1012,66 5 1018,84 1017,85 1016,61 6 1022,87 1021,86 1020,60 7 1026,92 1025,88 1024,61 8 1031,00 1029,94 1028,64 9 1035,12 1034,03 1032,71 10 1039,25 1038,14 1036,79 11 1043,43 1042,29 1040,92 12 1047,62 1046,46 1045,07 13 1051,86 1050,66 1949,25 14 1056,12 1054,90 1053,46 15 1060,41 1059,17 1057,72 16 1064,73 1063,46 1061,98 17 1069,09 1067,79 1066,29 18 1073,47 1072,15 1070,62 19 1077,89 1076,54 1074,99 20 1082,33 1080,96 1079,40 Dane na podstawie: Zbiór danych do obliczeń z inżynierii chemicznej. Red. A.Doniec; Łódź, Wyd. PŁ 1981; http://zylla.wipos.p.lodz.pl/baza/04-08.html W przypadku wartości pośrednich zarówno dla stężeń jak i temperatury należy dokonać interpolacji lub skorzystać z dokładniejszych tablic np. http://technologzywnosci.blogspot.com/2012/03/gestosc-wodnych-roztoworow-sacharoy.html Rys. 5. Widok zestawu doświadczalnego z polarymetrem firmy Zeiss Jena. 1 – lampa sodowa, 2 – polarymetr, 3 – przykrywka rurki polarymetrycznej, 4 – analizator, 5 – tarcza ze skalą, 6 – okular, 7 – pokrętło do ustawiania analizatora, 8 – zasilacz lampy sodowej.