Закон Био

Опыты с пластинками кварца разной толщины показали, что для данной длины волны угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален геометрической длине пути луча в оптически активном веществе:

, (6)

где l - в данном случае толщина кварцевой пластинки,

- коэффициент пропорциональности, равный по величине углу поворота плоскости поляризации при единичной толщине кристаллической пластины.

На основе опытов, проведённых Био в 1831 г., было установлено, что если оптически активное вещество находится в нейтральном растворе, то угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя l и концентрации C активного вещества, т.е. числу молекул на пути луча.

Закон Био имеет вид:

, (7)

где - удельная постоянная вращения раствора данного вещества.

Лабораторная установка и методика эксперимента

Применение закона Био позволяет определить концентрацию С активного вещества в растворе с известным удельным вращением [α] путем измерения угла поворота плоскости поляризации .

В данной работе для измерения угла поворота плоскости поляризации используется поляриметр, схема которого приведена на рис. 4.

рис. 4.

Здесь 1 – источник света, 2 – осветительная линза, 3 – поляризатор, представляющий собой поляроидную плёнку, 4 – кварцевая пластинка, которая видна в средней части поля зрения, 5 – оранжевое защитное стекло, которое служит светофильтром, 6 – кювета (трубка) для исследуемых растворов, 7 – анализатор, 8 – нониусы, которые вращаются вмести с анализатором, 9 – лимб, имеющий градусную шкалу от до , 10 – зрительная труба, 11 – подвижная муфта, перемещением которой производится наводка на резкость, 12 – головка фрикциона, с помощью которого вращаются анализатор и нониусы.

Естественный свет от матовой лампочки 1, пройдя через поляризатор 3, становится линейно поляризованным. Средняя часть светового пучка проходит через кварцевую пластинку 4 и светофильтр 5. Крайние части пучка через кварцевую пластинку не проходят. При наблюдении в трубку 10 поле зрения оказывается разделенным на три части. В середине видна кварцевая пластинка (рис.5). Эту картину мы наблюдаем через анализатор 7, поэтому яркость середины и краев поля зрения может быть различной.

Кварцевая пластинка поворачивает плоскость поляризации на некоторый угол, поэтому, если при отсутствии кюветы главные плоскости поляризатора и анализатора перпендикулярны, то края поля зрения будут темными, а середина будет просветлена за счет поворота плоскости

рис. 5. поляризации кварцевой пластинкой.

При незначительном повороте анализатора середина поля зрения может несколько затемняться, а края будут просветляться. Можно подобрать такое положение анализатора, когда яркости всех трех частей поля зрения сравняются. В этом положении левый нониус прибора установлен на .

Если между поляризатором и анализатором ввести кювету 6 с раствором оптически активного вещества, то раствор повернет плоскость поляризации на некоторый угол , и равенство яркостей нарушится.

Равенство можно восстановить, повернув анализатор вместе с нониусом на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором. Измерив угол поворота, можно из закона Био (7) найти концентрацию раствора:

- рабочая формула. (8)

Длина кюветы и есть толщина слоя раствора, проходимого лучом.

Установлено, что удельная постоянная вращения зависит от длины световой волны и приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны:

,

то есть для красного, например, света угол поворота меньше, чем для синего.

Удельная постоянная вращения водного раствора тростникового сахара: для длины волны , соответствующей оранжевому светофильтру.

Представленный здесь метод определения концентрации активного вещества в растворе называется поляриметрическим методом количественного анализа. Этот метод применяется в производстве различных веществ, в частности в сахароварении (соответствующий прибор называется сахарометром).

Заметим также, что поляриметрический метод применяется также в химических лабораториях для оценки чистоты веществ, для анализа протекания химических реакций и разделения фракций.