实验2.7 用旋光仪测旋光性溶液的质量浓度和旋光率
实验目的
1.熟悉旋光仪的结沟、原理和使用方法；
2.测定旋光性溶液的旋光率和百分浓度。
实验器材
旋光仪、盛液玻璃管、温度计、已知和未知浓度的葡萄糖溶液。
实验原理与说明
当平面偏振光通过某些透明物质后，振动面要发生旋转，这种现象称为旋光现象。振动面被旋转的角度，称为旋光角。具有旋光性的物质，称为旋光物质，如石英、糖溶液、松节油及某些抗生素溶液等。旋光物质分为左旋和右旋两类，当观察者正对着入射光看时，若振动面发生逆时针方向旋转，则称为左旋（负旋），这种物质叫左旋物质；若振动面发生顺时针方向旋转，则称为右旋（正旋），这种物质叫右旋物质。
对于透明的固体来说，旋光角φ与光透过物质的厚度L成正比；而对于液体来说，除了厚度之外，还与溶液的浓度C成正比。同时，旋转的角度还与溶液的温度t以及光的波长λ有关。实验证明，在给定波长（单色光）和一定温度下，如旋光物质为溶液，则旋光角由下式表示：
在上式中
为旋光率，C为100毫升溶液中含有溶质的克数，L为溶液厚度，以分米为单位。旋光率随不同的溶液而异，对于同一种溶液来说，它是随波长而异的常数。实验室的旋光仪常以钠光作为光源，故波长已定。而温度的改变，对旋光率稍有影响，就大多数物质来讲，当温度升高1度时，旋光率约减小千分之几。通过对旋光角的测定，可检验溶液的浓度、纯度和溶质的含量，因此旋光测定法在药物分析、医学化验和工业生产及科研等领域内有着广泛的应用。在医药学中常用的分析方法有比较法和间接测定法。
1.比较法
已知浓度为C1的某种旋光性溶液，其厚度为L1，可测出其旋光角φ1。要测同种未知浓度的溶液，只要测定该溶液在厚度为L2时的旋光角就可计算出未知浓度。
如果两溶液厚度相同，则
2.间接测定法
图2-19 旋光仪外形
1——底盘；2——电源开关；3——度盘转动手轮；4——读数放大镜；5——调焦手轮；6——度盘及游标；7——镜筒；8——镜筒盖；9——镜盖手柄；10——镜盖连接圈；11——灯罩；12——灯座；
对于已知旋光率的某种旋光性溶液，测出溶液厚度为L时的旋光角φ，就可由基本公式计算出浓度C。测定物质旋光角的仪器叫旋光仪。旋光仪外形如图2-19所示，其工作原理如图2-20所示。从单色光源射出的非偏振光，经起偏器变成平面偏振光，并经过半荫板分成P和P′两部分偏振光。当盛液玻璃管中不装旋光物质（可装蒸馏水）时，P和P′光振动矢量按原方向入射到检偏器上，并在视野中产生两部分视场。这两部分视场的光强度与检偏器透射轴的方向有关。根据马吕斯定律，只有当检偏器的透射轴方向转到P与P′夹角平分线方向时，半荫板的两半圆的光强度才相等，这时左右分界线消失。否则将出现左亮右暗或左暗右亮的现象。P与P′夹角的平分线有NN′，MM′两条，见图2-21。当检偏器透射轴处在NN′和MM′时，都能出现左右界线消失、视野亮度一致的情况。不同的是，当处于NN′方向时，视野是最昏暗的；当处于MM′方向时，视野是最明亮的。两者都可作为检偏器旋转终位置的标准。不过，因为人眼对光强度最小的判别较敏感，也就是说，对于左右昏暗的程度的差别更容易为眼睛所判断，因此，通常把检偏器透射铀在NN′位置（不是MM′位置）的光强度定作零度视场，并把NN′位置在无旋光物质时所对应的旋光仪的读数盘的刻度作为θ0，一般对应于仪器读数盘的零度。
图2-20 旋光仪的工作原理(https://www.daowen.com)
半荫板是由一块半圆形的无旋光作用的玻璃片和一块半圆形的有旋光作用的石英板胶合而成［图2-22（a）］的透光片，它的作用是帮助我们判断亮度。因需判别检偏器旋转后的亮度是否复原，就要涉及一个判别标准——亮度。若用我们的眼睛在没有对比的情况下进行判断，肯定会产生很大误差。有些旋光仪不采用半荫板，而是采用三荫板，如图［2-22（b）］所示，其结构是由两片石英和一片玻璃（或一片石英和两片玻璃）胶合而成，其原理与半荫板完全相同，不过比较的是中间的条状部分与左右两部分之间界线消失的情况。
图2-22 半荫板与三荫板
图2-21 零度视场时检偏器透射轴方向
当盛液玻璃管装入旋光物质时，光振动矢量P，P′的振动面同时旋转一个角度，见图2-20。此时视场发生了变化。为了找到新的零度视场，必须将检偏器转到新的位置，前后两次零度视场的读数差（θ—θ0）即为溶液的旋光角φ，θ和θ0的读数值可通过旋光仪的读数放大镜从读数度盘上读出。为清除读数度盘的偏心差，仪器采用双游标读数。度盘分360格，每格1°；游标分20格，等于度盘的19格，用游标可直接读到0.05°。从读数盘上分别读出左、右的刻度值θL和θR，则
θ0=（θL0+θR0）/2，θ=（θL+θR）/2
旋转角φ=θ-θ0。若θL=θR，且度盘转到任意位置都符合等式，则说明仪器没有偏心差，可以不用对顶读数法。
使用仪器的几点说明：
1.将仪器接交流电源，开启电源开关，约5分钟后钠光灯发光正常，才可开始工作。
2.选择长度适宜的装液试管，注满试液，装上橡皮圈，直到不漏为止。螺帽不宜旋得太紧，以免护片玻璃发生变形，影响读数准确性。然后将试管两头残余溶液擦干，以免影响观察清晰度及测定精度。
3.旋转度盘读数是正的，为右旋物质；读数是负的，为左旋物质。
4.用L=5893埃（钠光）测定，当温度升高1℃时，旋光角约减少0.3%，对于要求较高的测定工作，最好在20℃±2℃的条件下进行。
实验步骤
1.观察仪器刻度观察旋光仪的结构、读数度盘及游标的刻度，练习游标读数及望远镜的调节。旋转检偏器观察视野亮度变化情况。转动检偏器，在度盘的零度附近找到零度视场的位置，从读数盘上分别读出左、右的刻度值θL0和θR0，求得θ0。重复测量3次，取平均值作为零点读数。
2.测定已知溶液的旋光率
将盛有已知浓度糖溶液的玻璃管放入旋光仪的镜筒内，转动检偏器，找出零度视场的新位置，从左、右度盘上分别读出该位置的刻度值θL1和θR1，求得θ1值。重复3次，并记下相应的数值，求得平均值，作为所测角度。根据φ=θ-θ0求得旋转角度φ1。已知浓度C1和L1，根据公式（2-10），可计算出糖溶液的旋光率α。
3.测定糖溶液的未知浓度
将盛有未知浓度C2的糖溶液的玻璃管放入旋光仪中，按上述步骤进行测量，最后求得旋转角度φ2，根据实验所得的α和已知的L2值，由公式（2-11）计算出C2值。
数据记录与处理
自行设计记录表格，根据实验数据，计算已知浓度溶液的旋光率α和未知浓度C2。