物质旋光率的测量

一、实验目的

了解物质的旋光特性，学习测量物质旋光率的方法。
学习旋光仪的调节和使用。
研究物质的磁致旋光特性。

二、实验仪器

实验仪器包括：

WXG-4 型圆盘旋光仪；
旋光物质：固体样品为石英晶片，液体样品为葡萄糖溶液；
磁致旋光实验仪等。

三、实验原理

1. 物质的天然旋光性

如果在两个正交的偏振片之间放入某种物质，并以单色光透过，在检偏片背后可以看到明亮视场；但只要把检偏片向左或向右旋转一定角度，又会使明亮视场消失。这说明某种物质具有使偏振面旋转的本领，这种物质称为天然旋光物质，如石英、朱砂、石油、糖溶液等。

对于具有旋光特性的固体物质，偏振光通过后，偏振面旋转角度正比于光通过固体物质的厚度：

对于具有旋光特性的液体，偏振光通过后，偏振面旋转角度正比于光通过溶液的厚度和溶液浓度：

式中，称为物质的旋光率，它与入射光波长和旋光物质有关。

例如对于固体样品石英晶体，当入射光波长时，；时，；时，。

若采用白光，当石英晶片放在正交的两个偏振片之间时，会看到彩色；转动任一个偏振片时色彩会发生变化。这种旋光率随波长而变的现象称为旋光色散。

物质旋光率还与温度有关。对于大多数物质，温度升高时旋光率会减小。所以要求测量精度较高时，最好在条件下进行。

旋光物质有左旋光和右旋光之分。当观察者迎着光线观看时，振动面顺时针方向转动的物质称为右旋物质，反之为左旋物质。大多数旋光物质的旋光性都有右旋和左旋两种。左旋或右旋反映物质的分子结构区别。对于药物，左旋性和右旋性可能有不同的治疗效果。例如抗菌素氯霉素，其天然品是左旋，而人工合成的“合霉素”是左、右旋各半的混合族化合物，其中只有左旋成分有疗效。因此测量药物的旋光性是药物检验的一种有效方法。

2. 物质的磁致旋光性

有些物质没有天然旋光特性，但把它放入磁场中，发现偏振光通过它时偏振面发生旋转。这种现象由法拉第首先发现，称为法拉第磁旋光效应，这种性质称为物质的磁致旋光性。

实验表明：具有磁旋光性的物质，偏振光通过它之后，偏振面转动的角度与偏振光在该物质中所经路径和物质所处的磁感应强度成正比：

式中，称为费德尔常数，它与磁致旋光物质的组分、入射光波长有关。磁致旋光物质也具有左旋和右旋之分，不过它的旋光方向仅由磁场方向决定。

3. 物质旋光角度的测量：半影式偏振器

用两个正交偏振片来测量旋光角度不够准确，因为人的眼睛不能精确判断视场全黑的位置。因此精确测量要用半影式偏振器。半影式偏振器不需要判断视场是否全黑，而是判断三分视场亮度是否相等，从而大大提高眼睛判断的精确性。

半影偏振器原理是：单色光经起偏振后变为平面偏振光，然后通过轴心上的矩形半波片，使视场出现三分视界。假设视场左右两部分中，光波在平面内振动；视场中间部分中，光波在平面内振动；两平面间夹着一个小角度。这两束光线再经过检偏器。

如果检偏器的振动面与垂直，则视场中间部分光线被挡住而变暗，视场左右两部分光线可以通过检偏器，因此比较明亮；
如果检偏器偏振面与振动面垂直，则亮区和暗区正好相反。

仅在或时，三分视界中左右两部分和中间部分的亮度才会相等。当时，视场亮度较弱；因为人眼对微弱亮度变化比较敏感，故测量时应使，即调节到三分视场亮度相对较暗且相等。

四、实验内容和要求

1. 测定石英晶片对钠黄光的旋光率，并判断其左旋或右旋

（1）测定检偏器零点

仪器处于空载状态，即未放待测物质。调节目镜焦距直至看清楚三分界视场，然后旋转转动手轮，手轮带动刻度盘和检偏片一起转动，直至三分界视场亮度相等。此时刻度盘上的读数就是零点。

注意：

由于人眼对微弱亮度变化比较敏感，调节时应使三分视场处于亮度相对较暗且亮度相等为准。
判断三分视场亮度是否相等需要眼睛经过一定训练才准确，所以实验时应多次判断、多次读数。

（2）放入被测物质后测量

放入被测石英晶片后，再次旋转转动手轮，使三分视场再度变为亮度相等，记下此时刻度盘读数，同时判断转盘是顺时针转动还是逆时针转动，从而确定待测物质是右旋还是左旋。

注意：

重新调节到三分视界处于亮度较暗且亮度相等为准。
为减少或消除仪器偏心误差，实验时应读左、右游标。
重复多次判断、多次读数，然后取平均值。

2. 测定葡萄糖溶液的旋光率，并判断其左旋或右旋

测量溶液旋光率时，试管内不能留有较大气泡，并且试管有圆泡的一端朝上，使管中气体存入圆泡中，以便观察和测量。

放入试管后调节三分视场至较暗且亮度相等，记录读数并判断旋光方向。由液体旋光公式

可求葡萄糖溶液的旋光率。若使用比旋光度公式，则

式中，是温度为、波长为的光测得的旋转角度；是溶柱或试管长度；是溶液浓度。

3. 求费德尔常数（选做）

测定偏振光通过磁致旋光物质后，偏振面转过的角度与物质所处磁感应强度的关系，并作出关系曲线，从中求出费德尔常数。

实验中所用磁场由螺线管产生。螺线管中部的磁感应强度由下式近似计算：

式中：

为真空磁导率；
为螺线管总匝数；
为螺线管长度；
为螺线管外径；
为螺线管内径；
为提供给螺线管的电流；
由实验室给出。

由可知，若已知，作曲线，其斜率与有关，可求出费德尔常数。

测量时要注意电流表量程的选取和电流表的放置方式，同时不要长时间通以大电流，以免螺线管发热引起待测物质温度变化，从而影响测量结果。

五、WXG-4 型旋光仪介绍

1. 工作原理

旋光仪的工作原理建立在偏振光基础上，并用旋转偏振光偏振面的方法来达到测量目的。

在零度位置时，检偏镜振动方向与中轴垂直。当光束经过旋光物质后，偏振面被旋转了一个角度。这时，两半偏振光在检偏镜上的投影不等，出现一边亮、一边暗。如果把检偏镜偏振面在相同方向上转动角，则可重新使视场照度相等。这时检偏镜所转的角度就是物质的旋光度。

若已知被测物质的旋转角、溶柱或试管长度和被测溶液浓度，就可以求出物质的比旋光度：

由上式可知，旋转角与溶柱长度及浓度成正比：

2. 仪器结构

旋光仪光学系统倾斜安装在基座上，光源采用钠光灯，波长。钠光灯电源限流器安装在仪器基座上，无须另接电源。

仪器偏振器均为聚乙烯醇人造偏振片，三分视界采用劳伦特石英板装置，即半波片。转动起偏镜可以调整三分视场的阴影角，仪器出厂时调整在左右。

仪器采用双游标读数以消除读盘偏心误差。读盘分为 360 格，每格；游标分为 20 格，等于读盘的 19 格，在游标上直接读到。读盘和检偏镜为一体，借助手轮可以使它们同步转动。游标面前方、目镜两旁安装有两个“”的放大镜，供读数时使用。

主要部件包括：光源、聚光镜、滤色镜、起偏镜、半波片、试管、检偏镜、物镜、目镜、放大镜、目镜调焦手轮、度盘游标、度盘手轮、保护片等。

3. 仪器操作

（1）准备工作

待测样品准备：

先将被测溶液配制好，并加以稳定和沉淀。
被测溶液盛入试管待测。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，以免护波片产生应力而引起视场亮度变化，影响测量准确度。
将试管两端残液擦干净。

测量前仪器预热和零点调节：

接通电源，仪器预热约，待光源稳定发出钠黄光后，调节目镜焦距手轮使视场清晰。
细心转动度盘手轮，直至视场中三分视界照度在暗场下一样。检验仪器度盘零点位置是否正确。如果不正确，可旋松度盘盖上的四只连接螺钉，转动度盘外壳进行校正，但只能校正以下；或在测量过程中读出此零点值，利用加、减零点误差进行修正。

（2）测量步骤

打开仪器上盖，放入待测样品。如果待测样品是液体，试管有圆泡的一端要朝上，以便把试管中的气泡存入圆泡内，否则会影响观察和测定。然后把上盖盖好。
调节目镜焦距手轮使视场清晰。
细心转动度盘手轮，直至视场中三分视界照度在暗场下一样为止。
从放大镜中读出度盘角度，则被测样品的旋转角为

利用相关公式即可求出物质的比重、浓度、纯度与含量等。

六、数据处理要点

固体石英晶片旋光率：

其中为石英晶片厚度，为放入样品前后三分视场亮度相等时检偏器转过的角度。

葡萄糖溶液旋光率：

或按比旋光度公式：

左右旋判断：放入样品后，若检偏器需顺时针转动才能使三分视场重新亮度相等，则为右旋；若需逆时针转动，则为左旋。应以“迎着光线观看”的定义为准。
多次测量：对零点、放入样品后的读数均应多次判断、多次读数，并读左、右游标，最后取平均值。
磁致旋光选做：记录不同电流对应的旋光角，由公式计算，作图，由直线斜率求费德尔常数。

七、注意事项

旋光仪使用前应预热约，待钠黄光稳定。
调节目镜焦距，使三分视场清晰。
判断三分视场亮度相等时，应选择“亮度相对较暗且相等”的状态，即附近，因为人眼对弱亮度变化更敏感。
应多次判断、多次读数，并读取左、右游标，以减小偏心误差和人为判断误差。
液体试管中不能留有较大气泡；试管有圆泡一端朝上。
试管两端螺旋不能旋得太紧，以免保护片产生应力，引起视场亮度变化。
试管两端残液应擦净。
测量精度要求较高时，最好在条件下进行。
做磁致旋光实验时，注意电流表量程和放置方式，不要长时间通大电流，以免螺线管发热引起样品温度变化。
读数为负数，相当于180+该值。若为负值，则其值应为加180+该值。

八、思考题

旋光物质有左旋和右旋之分。如何用实验方法确定物质的左、右旋？
如果用视场一样亮为标准，所测得的某一物质旋光角度的精度是多少？可以试着实践一下。
文件图 6-9-3 是量槽计自动测量原理图，图中 P、A 是正交偏振片，被测钠溶液盛入 K 中，F 为螺旋线管，又称法拉第盒，试简述该仪器的测量原理。

附实验数据表格

	测量结果
测量次数	1		2		3		4		5
读数位置	左	右	左	右	左	右	左	右	左	右
读数

读数

注：，浓度，长度，温度为当前室温。

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