折光率与旋光度的测定方法.docx

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折光率与旋光度的测定方法

折光率及旋光度的测定方法

折光率的测定

一、实验目的

1.了解阿贝折射仪测定折光率的基本原理。

2.掌握液体有机化合物折光率的测定方法。

二、原理

折光率是物质的特性常数，固体、液体和气体都有折光率，尤其是液体，记载更为普遍。

不仅作为物质纯度的标志，也可用来鉴定未知物。

如分馏时，配合沸点，作为划分馏分的依据。

物质的折光率随入射光线波长不同而变，也随测定温度不同而变，通常温度升高1℃，液态化合物折光率降低3.5～5.5×10

，所以，折光率（n）的表示需要注出所用光线波长和测定的温度，常用n

来表示，D表示纳光。

测定液体化合物折光率的仪器常使用Abbe折光计。

折光率系指在钠光谱D线、20℃的条件下，空气中的光速与被测物中的光速之比值；或光自空气通过被测物时的入射角的正弦与折射角的正弦之比值。

用n表示。

由于光在空气中的速度接近真空中的速度，而在任何介质中的速度均小于光速，所以所有介质的折光率都大于1，α>β。

但入射角α=90°时折射角最大，此时的折射角β称为临界角。

当光从折光率为n的被测物质进入折光率为N的棱镜时，入射角为α，折射角为β，则

（1）在阿贝折光仪中，入射角α＝90°，得n＝1/sinβ

（2）棱镜的折光率N为已知值，则通过测量折射角r即可求出被测物质的折光率n。

三、仪器和试剂

1.阿贝折光仪，精密度为±0.0002

2.恒温水浴及循环泵,可向棱镜提供温度为20.0±0.1℃的循环水

3.丙酮

4.无水乙醇

5.蒸馏水

6.未知样品1-2个

四、操作步骤

1.仪器的安装。

将折光仪置于靠窗的桌子或白炽灯前。

但勿使仪器置于直照的日光中，以避免液体试样迅速蒸发。

用橡皮管将测量棱镜和辅助棱镜上保温夹套的进水口与超级恒温槽串联起来，恒温温度以折光仪上的温度计读数为准。

2.仪器校正

（1）示值校准：

阿贝折射仪经校正后才能作测定用。

校正的方法是：

从仪器盒中取出仪器，置于清洁干净的台面上，在棱镜外套上装好温度计，与超级恒温水浴相连，通入20℃的恒温水。

当水浴恒温后，打开锁，开启下面棱镜，使其镜面处于水平位置，滴入1-2滴丙酮于镜面上，合上棱镜，促使难挥发的污物逸去，再打开棱镜，用丝巾或擦镜纸轻轻揩拭镜面，注意：

不能用滤纸。

待镜面干后，校正标尺刻度。

操作时严禁油手或汗手触及光学零件。

标准试样校对读数，对折射棱镜的抛光面加1-2滴溴代奈，再帖在标准试样的抛光面。

当读数视场指示于标准试样上之值时，观察望远镜内明暗分界线是否在“＋”字线中间。

若有偏差则用螺丝刀微量旋转图上16小孔内的螺钉，带动物镜偏摆，使分界线像位移至“＋”字线中心。

⑴用重蒸馏水校正:

打开棱镜能够，滴1～2滴重蒸馏水于镜面上，转动左面刻度盘，使读数镜内标尺读数等于重蒸馏水的折光率（n

=1.33299,n

=1.3325）调节反射镜，使入射光进入棱镜组，从测量望远镜中观察，使视场最亮，调节测量镜，使视场最清晰。

转动消色调节器，消除色散，再用一特制的小旋子旋动右面镜筒下方的方形螺旋，使明暗界线和十字交叉重合，校正工作结束。

⑵用标准折光玻璃块校正:

将棱镜完全打开使成水平，用少量1—溴代奈（n=1.66）置光滑棱镜上，玻璃块就粘附于镜面上，使玻璃块直接对准反射镜，然后按上述手续进行。

1-反射镜2-转轴3-遮光板4-温度计5-进光棱座6-色散调节手轮7-色散值刻度圈8-目镜9-盖板10-手轮11-折射棱镜座12-照明刻度盘聚光镜13-温度计座14-底座15-折射率刻度调节手轮16-小孔17-壳体18-恒温器接头

（2）每次测定前及进行示值校准是时必须将进光棱镜的毛面、折射棱镜的抛光面及标准试样的抛光面，用脱脂棉蘸少许无水乙醇或丙酮，轻轻地朝单方向擦洗干净。

3.样品测定

（1）加样：

松开锁钮，开启辅助棱镜，使其磨砂的斜面处于水平位置，用滴定管加小量丙酮清洗镜面，促使难挥发的玷污物逸走，用滴定管时注意勿使管尖碰撞镜面。

必要时可用擦镜纸轻轻吸干镜面，但切勿用滤纸。

待镜面干燥后，滴加数滴试样于辅助棱镜的毛镜面上，闭合辅助棱镜，旋紧锁钮。

若试样易挥发，则可在两棱镜接近闭合时从加液小槽中加入，然后闭合两棱镜，锁紧锁钮。

（2）对光：

转动手柄，使刻度盘标尺上的示值为最小，于是调节反射镜，使入射光进入棱镜组，同时从测量望远镜中观察，使视场最亮。

调节目镜，使视场准丝最清晰

（3）粗调：

转动手柄，使刻度盘标尺上的示值逐渐增大，直至观察到视场中出现彩色光带或黑白临界线为止。

（4）消色散：

转动消色散手柄，使视场内呈现一个清晰的明暗临界线。

（5）精调：

转动手柄，使临界线正好处在X形准丝交点上，若此时又呈微色散，必须重调消色散手柄，使临界线明暗清晰。

调节过程在右边目镜看到的图像颜色变化如下图。

（6）读数：

为保护刻度盘的清洁，现在的折光仪一般都将刻度盘装在罩内，读数时先打开罩壳上方的小窗，使光线射入，然后从读数望远镜中读出标尺上相应的示值，估读至小数点后第四位。

由于眼睛在判断临界线是否处于准丝点交点上时，容易疲劳，为减少偶然误差，应转动手柄，重复测定三次，三个读数相差不能大于0.0002，然后取其平均值。

试样的成分对折光率的影响是极其灵敏的，由于玷污或试样中易挥发组分的蒸发，致使试样组分发生微小的改变，会导致读数不准，因此测一个试样须应重复取三次样，测定这三个样品的数据，再取其平均值。

图3左边目镜中的图像

（7）维护：

①仪器应置放于干燥、空气流通的室内，以免光学零件受潮后生霉。

②测试腐蚀性液体后，应及时做好清洗工作（包括光学零件，金属零件以及油漆表面），防止侵蚀损坏。

仪器使用完毕清洗后，应放入木箱内。

木箱内应存有干燥剂（变色硅胶）以吸收潮气。

③经常保持仪器清洁，严禁油手或汗手触及光学零件。

④仪器应避免强烈振动或撞击，以防止光学零件损伤及影响精度。

五、结果与计算

分别测定不同液体样品的折光度，测定结果记入下表:

样品种类

折光度

平均

读数1

读数2

读数3

六、思考题

1.测定有机化合物折光率的意义是什么？

2.折光率随什么因素而改变？

因此测定某一物质的折光率时应注意哪些条件？

3.为什么液体的折射率不会小于1？

旋光度的测定

一、实验目的

1．了解旋光仪测定旋光度的基本原理

2．掌握用旋光仪测定溶液或液体物质的旋光度的方法

二、基本原理

只在一个平面上振动的光叫做平面偏振光，简称偏振光。

物质能使偏振光的振动平面旋转的性质，称为旋光性或光学活性。

具有旋光性的物质，叫做旋光性物质或光学活性物质。

旋光性物质使偏振光的振动平面旋转的角度叫做旋光度。

许多有机化合物，尤其是来自生物体内的大部分天然产物，如氨基酸、生物碱和碳水化合物等，都具有旋光性。

这是由于它们的分子结构具有手征性所造成的。

因此，旋光度的测定对于研究这些有机化合物的分子结构具有重要的作用，此外，旋光度的测定对于确定某些有机反应的反应机理也是很有意义的。

测定溶液或液体的旋光度的仪器称为旋光仪，其工作原理见图2-22。

常用的旋光仪主要由光源、起偏镜、样品管（也叫旋光管）和检偏镜几部分组成。

光源为炽热的钠光灯，其发出波长为589.3nm的单色光（钠光）。

起偏镜是由两块光学透明的方解石粘合而成的，也叫尼科尔（Nicol）棱镜，其作用是使自然光通过后产生所需要的平面偏振光。

样品管充装待测定的旋光性液体或溶液，其长度有1dm和2dm等几种。

当偏振光通过盛有旋光性物质的样品管后，因物质的旋光性使偏振光不能通过第二个棱镜（检偏镜），必须将检偏镜扭转一定角度后才能通过，因此要调节检偏镜进行配光。

由装在检偏镜上的标尺盘上移动的角度，可指示出检偏镜转动的角度，该角度即为待测物质的旋光度。

使偏振光平面顺时针方向旋转的旋光性物质叫做右旋体，反时针方向旋转的叫左旋体。

为了准确判断旋光度的大小，测定时通常在视野中分出三分视场（见图3.2.4-1）。

当检偏镜的偏振面与通过棱镜的光的偏振面平行时，我们通过目镜可观察到图3.2.4-2（b）所示（当中明亮，两旁较暗）；若检偏镜的偏振面与起偏镜偏振面平行时，可观察到图3.2.4-2（a）所示（当中较暗，两旁明亮）；只有当检偏镜的偏振面处于1/2φ（半暗角）的角度时，视场内明暗相等如图3.2.4-2（c）这一位置作为零度，使游标尺上0°。

对准刻度盘00。

测定时，调节视场内明暗相等，以使观察结果准确。

一般在测定时选取较小的半暗角，由于人的眼睛对弱照度的变化比较敏感，视野的照度随半暗角φ的减小而变弱，所以在测定中通常选几度到十几度的结果。

图3.2.4-1旋光仪的结构及工作原理

abc

图3.2.4-2三分视场

物质的旋光度与测定时所用溶液的浓度、样品管长度、温度、所用光源的波长及溶剂的性质等因素有关。

因此，常用比旋光度[α]来表示物质的旋光性。

当光源、温度和溶剂固定时，比旋光度等于溶液浓度为1g·mL-1、样品管长度为1dm时的物质的旋光度。

像熔点、沸点、折光率一样，比旋光度是一个只与分子结构有关的表征旋光性物质特征的物理常数，它对鉴定旋光性化合物有重要意义。

溶液的比旋光度与旋光度的关系为：

式中[α]Dt为比旋光度；t为测定时的温度（℃）；D表示钠光（波长λ＝589.3nm）；α为观测的旋光度；c为溶液的浓度，以g·mL-1为单位；L为样品管的长度，以dm为单位。

如果被测定的旋光性物质为纯液体，可直接装入样品管中进行测定，这时，比旋光度可由下式求出：

式中d为纯液体的密度（g·mL-1）。

利用上述公式，由测得的旋光度和物质的浓度（或密度）可计算出物质的比旋光度。

由比旋光度可按下式求出样品的光学纯度（OP）。

光学纯度的定义是：

旋光性产物的比旋光度除以光学纯试样在相同条件下的比旋光度。

另外，还可由比旋光度计算出对映体在其混合物中的百分含量。

设一对对映体分别为X和Y，它们在混合物中所占的百分含量可按下式计算：

三、仪器与试剂

仪器：

WXG—4型圆盘旋光仪

试剂：

蒸馏水；10％酒石酸溶液或10％葡萄糖溶液；浓度未知的酒石酸溶液或葡萄糖溶液

四、实验内容与步骤

1．样品管的充填

将样品管一端的螺帽旋下，取下玻璃盖片（小心不要掉在地上摔碎！

），然后将管竖直，管口朝上。

用滴管注入待测溶液或蒸馏水至管口，并使溶液的液面凸出管口。

小心将玻璃盖片沿管口方向盖上，把多余的溶液挤压溢出，使管内不留气泡，盖上螺帽。

管内如有气泡存在，需重新装填。

装好后，将样品管外部拭净，以免沾污仪器的样品室。

2．仪器零点的校正和半暗位置的识别

接通电源并打开光源开关，5—10min后，钠光灯发光正常（黄光），才能开始测定。

通常在正式测定前，均需校正仪器的零点，即将充满蒸馏水或待测样品的溶剂的样品管放入样品室，旋转粗调钮和微调钮至目镜视野中三分视场的明暗程度完全一致（较暗），再按游标尺原理记下读数，如此重复测定五次；取其平均值即为仪器的零点值。

上述校正零点过程中，三分视场的明暗程度（较暗）完全一致的位置，即是仪器的半暗位置。

通过零点的校正，要学会正确识别和判断仪器的半暗位置，并以此为准，进行样品旋光度的测定。

3．样品旋光度的测定

将充满待测样品溶液的样品管放入旋光仪内，旋转粗调和微调旋扭，使达到半暗位置，按游标尺原理记下读数，重复五次，取平均值，即为旋光度的观测值，由观测值减去零点值，即为该样品真正的旋光度。

例如，仪器的零点值为-0.05°，样品旋光度的观测值为+9.85°，则样品真正的旋光度为α＝+9.85°-（-0.05°）＝+9.900。

4．测定项目

（1）分别用1dm和2dm长样品管测定一已知浓度样品溶液的旋光度，计算其比旋光度。

比较其结果。

（2）用1dm长或2dm长样品管测定浓度未知的酒石酸溶液或葡萄糖溶液的旋光度，由文献查比旋光度，计算其浓度。

附：

WXG—4型圆盘放光仪的结构和工作原理

WXG-4型圆盘旋光仪由上海物理光学仪器厂制造。

该仪器将光源（20瓦钠光灯，波长λ=589.3nm）与光学系统安装在同一台基座上，光学系统以倾斜20º安装，操作十分方便。

该仪器光学系统结构见图3.2.4-3。

光线从光源

（1）投射到聚光镜

（2）、滤色镜（3）、起偏镜（4）后，变成平面直线偏振光，再经半波片（5）后，视野中出现了三分视场。

旋光性物质盛入样品管（6）放人镜筒测定，由于溶液具有旋光性，故把平面偏振光旋转了一个角度，通过检偏镜（7）起分析作用，从目镜（9）中观察，就能看到中间亮（或暗）左右暗（或亮）的照度不等三分视场（见图2-23a或b），转动度盘手轮（12），带动度盘（11）及检偏镜（7）[度盘和检偏镜固定在一起，能借手轮，（12）作粗、细转动]，至看到三分视场照度（暗视场）完全一致（见图2-23c）时为止。

然后从放大镜中读出度盘旋转的角度（见图2-25）。

图3.2.4-3仪器光学系统图

1.光源（钠光）2.聚光镜3.滤色镜4.起偏镜5.半波片6.试管7.检偏镜

8.物镜9.目镜10.放大镜11.度盘游标12.度盘转动手轮13.保护片

图3.2.4-4仪器的双游标读数

图3.2.4-4仪器的双游标读数

该仪器采用双游标卡尺读数，以消除度盘偏心差。

度盘分360格，每格1º，游标卡尺分20格，等于度盘19格，用游标直接读数到0.05º。

如图3.2.4-4所示，游标0刻度指在度盘9与10格之间，且游标第6格与度盘某一格完全对齐，故其读数为α=+（9.00º+0.05º×6）=9.30º。

仪器游标窗前方装有两块4倍的放大镜，供读数时用。

注释：

①样品管螺帽与玻盖之间都附有橡皮垫圈，装卸时要注意，切勿丢失。

螺帽以旋到溶液流不出来为度，不宜旋得太紧，以免破盖产生张力，使管内产生空隙，影响测定结果。

②旋光仪的整体结构随厂家不同而有差异，但基本结构和工作原理都是相同的。

这里仅介绍国产WXG—4型圆盘旋光仪。

③各种牌号仪器的游标尺的构造和读数原理都是一样的，但是游标刻度有差异，读数时应注意游标上最小刻度代表的度数值。

游标总长度相当于主尺上最小间隔，以此推算出游标最小间隔代表的度数。

五、思考题

（1）若测得某物质的比旋光度为+18º，如何确定其是+18º还是。

342º?

（2）一个外消旋体的光学纯度是多少?

（3）若用2dm长的样品管测定某光学纯物质的比旋光皮为+20°。

，试计算具有80％光学纯度的该物质的溶液（20g·ml-1）的实测旋光度是多少?

（4）测定旋光度时为什么样品管内不能有气泡存在？