物理常数测定
单元5：旋光度的测定
[学习目标]
１．了解旋光仪的构造。
２．掌握使用旋光仪测定物质的旋光度。
３．学习比旋光度的计算。
[学习内容]
一、旋光性和旋光度
１、旋光性和旋光物质
光波是一种电磁波，它的振动方向与其传播方向垂直。
普通光的光波可在垂直于它前进方向的所有平面内振动。
但如果使光通过尼科尔（Ｎｉｃｏｌ）棱镜（经过特殊加工的方解石晶体，其作用像一个栅栏），则只有与棱镜镜轴平行的平面上振动的光线通过，这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光。
如果使偏振光通过某种物质的液体或溶液，会有两种可能：一是偏振光可以通过这种物质，而这种物质对偏振光没有影响，即偏振光仍维持原来的偏振平面；二是偏振光通过该物质，必须是将原来的振动平面旋转一定角度后才能通过，即在某一平面内振动的偏振光，通过这种物质出来时，将在另一个平面内振动。
物质的这种能使偏振光振动平面旋转的性质，称为物质的旋光性。
具有旋光性的物质称为旋光性物质。
例如，葡萄糖、乳糖等。
有些旋光性物质能使偏振光的振动平面向右（顺时针方向）旋转，称为右旋物质，通常用（＋）表示其旋光度。
例如，从自然界得到的葡萄糖是右旋物质，叫右旋葡萄糖，用（＋）葡萄糖表示。
有些旋光性物质能使偏振光的振动平面向左（逆时针方向）旋转，称为左旋物质，通常用（－）表示。
例如，从自然界得到的果糖是左旋物质，叫左旋果糖，用（－）果糖表示。
２、旋光度
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偏振光通过旋光物质时，偏振光的振动平面所转动的角度，称为旋光物质的旋光度，通常用α表示。
测定旋光度的仪器叫旋光仪，旋光仪的测定原理如图３－８所示。
旋光仪主要由光源（单色光，如钠光灯）、两个尼科尔棱镜（固定的叫起偏镜，可转动的叫检偏镜）、盛液管（盛装被测物质的溶液或液体）等组成。
单色光依次通过第一个棱镜（起偏镜）、盛液管、第二个棱镜（检偏镜），最后达到人的眼睛。
使用前盛液管是空的，调解检偏镜，令偏振光完全通过（此时两个棱镜的镜轴平行），使光亮最大。
当盛液管中装有旋光物质时，则人们观察到的光变暗（这是由于旋光物质将偏振光平面旋转一定角度所致）。
然后向左或右旋转检偏镜（旋转的数值可由刻度盘上示出）仍令光亮最大，此时旋光仪刻度盘上所示的数值即为旋光度。
物质的旋光度与旋光管的长度、溶液的浓度、溶剂以及测定时的温度和光源的波长都有关系。
条件不同，不仅可以改变旋光的度数，甚至可以改变旋光的方向。
当条件固定时，即旋光管的长度为１０ｃｍ，被测定物质的浓度为１ｇ／１ｍＬ溶剂，测出的旋光度叫比旋光度用［α］表示。
它与旋光度的关系是：
c
l t
⋅=ααλ][ 式中α—旋光仪上所测得的旋光度数；λ—测定时光源的波长，当用钠光作光源时，则用Ｄ代替；ｔ—测定时的温度；ｌ—旋光管的长度；ｃ—溶液的浓度。
例如，天然葡萄糖水溶液是右旋的，在２０℃时用钠光灯作光源（λ＝５８９．３ｎｍ），其比旋光度是５２．５Ｏ，则表示为：
)(5.52][o 20
D 水+=α
天然果糖是左旋的，其比旋光度为：
2 )(-93][o 20
D 水=α
比旋光度是物质特性常数之一，测定旋光度，可以检验旋光性物质的纯度和含量。
二、旋光度的测定
1、旋光度的测定原理
物质旋光度的测定是通过旋光仪实现的。
旋光仪的主要构造为起偏器和尖偏器两部分，起偏器俗称第一尼科尔棱镜，是使使各方向振动的可见光起偏振，它固定在仪器的前端。
检偏器用来测定偏振面的旋转角度，成为第二尼科尔棱镜，随刻度盘一起转动。
对于自然光，其光波在与光传播方向垂直的一切可能方向上振动，但当通过起偏镜之后，获得了只在一个方向上振动的平面偏振光。
当两个棱镜的主截面（为折射光线与晶体光轴所构成的平面）向平行时，由起偏镜射到检偏镜的偏振光全部能通过；当两个棱镜的主截面华向垂直时，则偏振光全部不能通过；当两个棱镜主截面夹角介于0Ｏ～９０Ｏ之间时，透过的光强将被减弱。
两个棱镜主截面互相垂直时视野是黑暗的，但在棱镜中间放入一个装有旋光性物质的溶液的玻璃旋光管时，因溶液使偏振光旋转了一个角度，从视野中可见到一定的光亮。
这时如将检偏镜相应旋转一个角度又可使视野重新变暗，检偏镜旋转的角度就等于光的偏振面在通过溶液后的旋光度α。
由于肉眼对鉴别黑暗的视野误差较大，为精确确定旋光度，常采用比较方法，即三分视野法，在起偏镜后的中部装一狭长的石英片，其宽度约为视野的１／３，因为石英片也具有旋光性，所以在目镜中出现三分视野，如图３－９所示。
在旋转相应得角度后，视野中三个区内
明暗相等，三分视野消失。
鉴于肉眼对于这
种明暗相等的三分视野易于判断，可以准确
地测定被测溶液的旋光度。
2、旋光仪的使用方法
（1）接通电源，开启电源开关，预热5分钟，待钠光灯发光稳定后，就可以进行测量。
（2）旋光仪零点的校正。
在样品管中装好蒸馏水（无气泡），调节检偏镜角度使三分视野消失，将此时的角度记做零位，在以后各次测量读数中应减去或加上该数值。
（3）选取长度适宜的样品管，装入待测液（无气泡），旋上螺帽，螺帽不宜旋的太紧（以不漏水为标准），否则护片玻璃会引起应力，影响读数。
然后将样品管两头残余液用擦镜纸揩干，以免影响观察的清晰度及测定精度。
（4）测定旋光度。
转动刻度盘至目镜中三分视野消失，再从刻度盘上读数，读数为正则被测物为右旋物质，读数为负则为左旋物质。
（5）双游标读数法。
考虑到仪器可能有偏心差，在刻度盘上开有A、B两个游标窗，两个游标窗读数的平均值为测定值。
使用旋光仪需注意以下事项：
（1）仪器连续使用时间不宜过长，一般不超过4小时，如果使用时间过长，中间应关闭电源开关15分钟左右，待钠光灯冷却后再继续使用。
（2）观察者的个人习惯不同，应始终由一个人读数。
（3）样品管装好溶液后不应有气泡，不应漏液。
（4）样品管用后要及时将溶液倒出，用蒸馏水洗涤干净，所有镜片均不能用手直接擦拭，应用软布或擦镜纸擦拭。
旋光仪的结构如图3-10所示。
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[训练项目]
旋光度的测定
训练目的
１、了解旋光仪的构造。
２、掌握使用旋光仪测定物质的旋光度的方法。
训练应具备的条件
图3-10 旋光仪的结构
1-底座；2-电源开关；3-底盘转动手轮；4-放大镜座；5-调焦手柄；6-刻度盘；
7-装旋光管的凹槽；8-旋光管；9-盒盖开关；10-钠光灯。
葡萄糖、容量瓶、旋光仪
训练过程
１．旋光仪零点的校正：在测定样品前，需要先校正旋光仪的零点。
①将放样管洗好，左手拿住管子把它竖立，装上蒸馏水，使液面凸出管口。
②将玻璃盖沿管口边缘轻轻平推盖好，不能带入气泡，旋上螺丝帽盖，漏水，不要过紧。
③将样品管擦干，放入旋光仪内罩上盖子，开启钠光灯，将标天盘调至零点左右，旋转粗动、微动手轮，使视场内Ⅰ和Ⅱ部分的亮度均一，记下读数。
④重复操作至少５次，取平均值，若零点相差太大时，应把仪器重新校正。
２．旋光度的测定
①准确称取２．５ｇ葡萄糖放在１０ｍｌ容量瓶中配成溶液，依上法测定其旋光度，这时所得的读数与零点之间的差值即为该物质的旋光度。
②取上述溶液稀释十倍，再测定旋光度。
③不同浓度果糖溶液旋光度的测定。
自行设计表格将测得的旋光度和对应溶液及其浓度记录清楚。
成。
4。