有机化学实验八 折光率和旋光度的测定

实验八折光率和旋光度的测定

一．实验目的：

1.学习有机化合物折光率的测定。

2. 了解旋光仪、折光仪的构造。

3.掌握旋光仪、折光仪的测定方法。

4. 学习比旋光度的计算。

二．实验重点和难点：

1.折光率的测定原理及方法。旋光度的测定原理及方法。

三．实验装置和药品：

主要实验仪器：阿贝折光仪WZX—1光学度盘旋光仪

主要化学试剂：5%和15%葡萄糖末知浓度葡萄糖蒸馏水重蒸馏水、无水乙醇、乙酸乙酯、甘油、丙酮【折射率】1.359（20℃）等待测液。擦镜纸或者脱脂棉。

实验类型：基础性实验学时：4学时

四．实验装置图：

五．实验原理：

1. 折光仪的原理：由于光在不同介质中传播的速度不同。所以光线从一个介质进入到另一个介质时，由于传播速度改变，也使传播方向发生改变（只要入射光的方向与两个介质间的界面不垂直），这种现象称作光的折射现象。

光线在空气中的速度(V空) 与它在液体中的速度(V液) 之比定义为该液体的折光率(n) 。

n= V空/ V液

一个介质的折光率，就是光线从真空进入这个介质时的入射角θ与折射角φ的正弦之比，该比值n即为该介质的绝对折光率。通常测定的折光率，都是以空气作为比较的标准。

n = V空/ V液= sinθ/ sinφ

折光率是有机化合物最重要的物理常数之一，它能精确而方便地测定出来。作为液体物质纯度的标准，它比沸点更为可靠。利用折光率，可鉴定末知化合物。如果一个化合物是纯的，那么就可以根据所测得的折光率排除考虑中的其它化合物，而识别出这个末知物来。

折光率也用于确定液体混合物的组成。

物质的折光率不但与它的结构和光线波长有关，而且也受温度、压力等因素的影响。所以折光率的表示须注明所用的光线和测定时的温度，常用n D t表示。D是以钠灯的D线(5893A) 作光源，t是与折光率相对应的温度。

用斯内尔（snell）定律表示为：n＝sinα/sinβ，α是入射光（空气中）与界面垂线之间的夹角，β是折射光（在液体中）与界面垂线之间的夹角。入射角正弦与折射角正弦之比等于介质B对介质A的相对折光率，见图1。用单色光要比白光测得的折光率更为精确，所以测定折光率时要用钠光（A＝589 nm）。

图1光线的折射

折光率是液体有机化合物重要的特性常数之一，折光率的测定，常用的是阿贝（Abbe）折光仪。阿贝折光仪操作简便、容易掌握，是有机化学实验室的常用仪器，主要用途为：测定所合成的已知化合物折光率与文献值对照，可作为鉴定有机化台物纯度的一个标准；合成未知化合物，经过结构及化学分析确证后，测得的折光率可作为一个物理常数记载；将折光率作为检测原料、溶剂、中间体及最终产品纯度的依据之一，一般多用于液体有机化合物。

化合物的折光率与它的结构及入射光线的波长、温度、压力等因素有关。通常大气压的变化的影响不明显，只是在精密的测定工作中，才考虑压力因素。所以，在测定折光率时必须注明所用的光线和温度，常用n t D表示。D是以钠光灯的D线（589 nm）作光源，常用的折光仪虽然是用白光为光源，但用棱镜系统加以补偿，实际测得的仍为钠光D线的折射率。t是测定折射率时的温度。例如n20D＝1.3320表示20℃时，该介质对钠光灯的D线折光率为1.3320。

一般地讲，当温度增高1℃时液体有机化合物的折光率就减少3.5×10-4～5.5×10-4，某些有机物，持别是测定折光率时的温度与其沸点相近时，其温度系数可达7×10-4。为了便于计算，一般采用4×10-4为其温度变化系数。这个粗略计算，当然会带来误差，为了精确起见，一般折光仪应配有恒温装置。表1是不同温度下纯水和乙醇的折光率。

表1 不同温度下纯水和乙醇的折光率

温度/℃18 20 24 28 32

水的折光率 1.33317 1.33299 1.33262 1.33219 1.33164

乙醇的折光率 1.36129 1.36048 1.35885 1.35721 1.35557

2测定液体折光率的仪器(阿贝折光仪) 构成原理：【见下图】

当光线由介质A进入介质B，如果介质A对于介质B是疏物质，即n A＜n B时，则折射角β必小于入射角α，当入射角α为90°时，Sinα=1。这时折射角达到最大值，称为临界角，用β0表示。很明显，在一定波长与一定条件下，β0也是一个常数，它与折光率的关系是：

n = 1 / Sinβ0

可见，通过测定临界角β0就可以得到折光率，这就是通常所用阿贝折光仪的基本光学原理。

为了测定β0值，阿贝折光仪采用了“半明半暗”的方法，就是让单色光由0-90°的所有角度从介质A射入介质B，这时介质B中临界角以内的整个区域均有光线通过，因而是明亮的。而临界角以外的全部区域没有光线通过，因而是暗的。明暗两区域的界线十分清楚。如果在介质B上方用一目镜观察，就可看见一个界线十分清晰的半明半暗的象。

2.旋光度测定的原理:

旋光度是指光学活性物质使偏振光的振动平面旋转的角度。

旋光度的测定对于研究具有光学活性的分子的构型及确定某些反应机理具有重要的作用。

某些有机物因具有手性分子，能使偏光振动平面旋转，使偏光振动向左旋转的为左旋性物质，使偏光振动向右旋转的为右旋性物质。比旋光度是物质特性常数之一，测定旋光度，可以检定旋光性物质的纯度和含量。测定旋光度的仪器叫旋光仪，其基本结构如上图所示。

光线从光源经过起偏镜，再经过盛当旋光性物质的旋光管时，因物质的旋光性致使偏振光不能通过第二棱镜，必须扭转栓偏镜才能通过，因此，要调节栓偏镜进行配光，棱镜2上连的标心盘上移动的角度，即为该物质在此浓度时的旋光度。

定量测定溶液或液体旋光程度的仪器称为旋光仪，其工作原理见图2.11。

常用的旋光仪主要有光源、起偏镜、样品管和检偏镜几部分组成。光源为炽热的钠光灯。起偏镜是由两块光学透明的方解石粘合而成，也称尼科尔棱镜。其作用是使自然光通过后产生所需要的平面偏振光。尼科尔棱镜的作用就像一个栅栏，普通光是在所用平面振动的电磁波，通过棱晶时只有和棱镜晶轴平行的平面振动的光才能通过。这种只在一个平面振动的光叫做平面偏振光，简称偏光。样品管装待测的旋光性液体或溶液，其长度有1dm 和2dm 等几种。对旋光度较小或溶液浓度较稀的样品，最好采用2dm 长的样品管，当偏光通过盛有旋光性物质的样品管后，因物质的旋光性使偏光不能通过第二个棱晶（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角度，即为该物质在此浓度的旋光度。

使偏振光平面向右旋转（顺时针方向）的旋光性物质叫做右旋体，向左旋转（逆时针方向）的叫做左旋体。

物质的旋光度与测定时所用溶液的浓度，样品管的长度、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

来表示物质的旋光性。 式中：表示旋光性物质在t ℃，光源波长为入时的比旋光度。

.

为标尺盘转动角度的读数，既旋光度。

.l 为旋光管的长度，单位以分米（dm ）表示。

.c 为溶液浓度，以1ml 溶液所含溶质的质量表示。

如测定的旋光活性物质为纯液体，比旋光度可由下式求出：

〔a 〕t 入= a/d.l

式中：d 为纯液体的密度（g/cm 3）

表示比旋光度时通常还要标明测定时所用的溶剂。

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

（见上图），当检偏镜的偏振面与通过棱镜的光的偏振面平行时，我们通过目镜可以观察到图所示（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，可观察到图所示（当中较暗，两旁明亮）；只有当检偏镜的偏振面处于1/2的（半暗角）的角度时，视场内明暗相等。这一位置作为零度，使标尺上0°对准刻度盘0°。

测定时，调节视场内明暗相等，以使观察结果准确。

旋光性是化合物分子手性结构的特征性表现，研究分子的旋光性可以了解其分子结构的一些重要的规律。旋光性是指旋光性物质在一束平面偏振光通过这种物质时，使其振动方向旋转

一个角度的性质。这个旋转角度称为旋光度，其方向和大小与该物质分子的立体结构有关，在[]d t D ?==1αα纯液体的比旋光度[]c

t D ?==1α

α溶液的比旋光度

溶液状态下还与溶液的浓度有关及测定时的仪器条件有关。

旋光仪是测定物质旋光性的仪器。

六．实验內容及步骤：

㈠.折射率测定：

1，将折射仪置于光源充足的桌面上，和恒温水浴相连，调节所需温度，通常为20-25o C。

2，恒温后，打开直角棱镜的闭合旋钮，用脱脂棉取少量丙酮清洗上下镜面。待丙酮挥发后，用滴管把待测液体2-3滴均匀滴在磨砂棱镜上，要求液体充满整个视场。关紧棱镜，转动反射镜，使视场最使视场最亮。轻轻转动左面度盘，并在右镜筒内找到明暗分界或彩色光带，再转动消色调节器，至看到一个明晰分界线，转动左面刻度盘，是分界线对准“十”字交叉点上，并读折光率。重复2-3次。

3，旋转刻度旋钮，由1.3000开始向前转动（量程为从1.30000至1.70000，精密度为0.0001），在目镜中找到明暗分界线或彩色光带，再转动消色散旋钮，直到看到一清晰明暗分界线。注：滴加样品时应注意切勿使滴管尖端直接接触镜面，以防造成割痕。滴加液体要适量，分布要均匀，对于易挥发液体，应快速测定折光率。

4，再转动刻度旋钮，使分界线对准"+"交叉线中心，如上图所示，并读折光率，重复2--3次。5，用同样的方法分别测定无水乙醇，乙酸乙酯，甘油的折光率并记录。

6，实验完毕，用脱脂棉取少量丙酮清洗上下镜面，整理好折光仪及实验台。

㈡.旋光度测定:

1.将圆盘旋光仪接通220V交流电源，打开电源开关，预热5分钟，使钠光灯发光正常。

2. 零点校正: 即在旋光管未放进样品时和充满蒸馏水或待测样品的溶剂时，观察零度视场是否一致，如不一致说明零点有误差，应在测量读数中减去或加上这一偏差值。在测定样品前，需先校正旋光仪的零点。将样品管洗好，装上蒸馏水，使液面凸出管口，将玻璃盖沿管口边缘轻轻平推盖好，不能带入气泡，然后旋上螺丝帽盖，不漏水，不要过紧。将样品管擦干，放入旋光仪内，罩上盖子，将标尺盘在零点左右，旋转粗动、微动手轮，使视场内Ⅰ和Ⅱ部分的亮度均匀一致，记下读数。重复操作至少五次，取其平均值，若零点相差太大，应重新校正。用蒸馏水校正旋光仪的零点。

3.用同样的方法分别测定5%，15%和未知样品葡萄糖溶液的旋光度两次并记录。（注：测定溶液的旋光度前，需用该溶液洗涤盛液管两次。）读出旋光度α,扣除零点，得到试样的旋光度：α-αo测定时要准确称量0.1—0.5g样品，选择适当溶剂在容量瓶中配制溶液，如因样品导致溶液不清亮时需用定性滤纸加以过滤。

4. 计算比旋光度：测得旋光度并换算为比旋光度后，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。

即：

op=｛［a］D t观测值/［a］D t理论值｝*100%

七．实验注意事项：

1.认真预习实验内容，掌握折光仪和旋光仪的使用操作方法。

2.严格按照仪器操作方法做实验。操作时严禁油手或汗手触及光学零部件。

3.擦洗镜面时只能用丝巾或擦镜纸吸干液体，不能用力擦，以防将毛玻璃面擦花。

4.折光仪不能放在日光直射或靠近热源的地方，以免样品迅速蒸发。仪器应避免强烈振动或撞

击，以防光学零部件损伤及影响精度。

本实验的成败关键

1、酸、碱等腐蚀性液体不得使用阿贝折光仪。

2、应待镜面洁净，溶剂干后才能加样测定，否则会影响测定结果。

3、待测液体加得过少或分布不均时，视野明暗线不清晰，应补加样品。

八．实验相关內容：

㈠.阿贝折光仪的维护：

①.Abbe折光仪在使用前后，棱镜均需用丙酮或乙醚洗净，并干燥之。滴管或其它硬物均不得

接触镜面。擦洗镜面时只能用丝巾或擦镜纸吸干液体，不能用力擦，以防将毛玻璃面擦花。

②.用完后，要流尽金属套中的恒温水。拆下温度计并放在纸套筒中，将仪器擦净，放入盒中。

③.折光仪不能放在日光直射或靠近热源的地方，以免样品迅速蒸发。仪器应避免强烈振动或撞

击，以防光学零部件损伤及影响精度。

④.酸、碱等腐蚀性液体不得使用Abbe折光仪测其折光率，可使用浸入式折光仪测定。

⑤.折光仪不用时应放在箱内，箱内需放入干燥剂。水箱应放在干燥空气流通的室内。

（二）.旋光仪的维护

(1)旋光仪应放在通风干燥和温度适宜的地方，以免受潮发霉。

(2)旋光仪连续使用时间不宜超过4小时。如果使用时间较长，中间应关熄10～15分钟，待钠光灯冷却后再继续使用，或用电风扇吹打，减少灯管受热程度，以免亮度下降和寿命降低。

(3)试管用后要及时将溶液倒出，用蒸馏水洗涤干净，揩干藏好。所有镜片均不能用手直接揩擦，应用柔软绒布揩擦。

(4)旋光仪使用过程中如果有问题可及时和成都雅源科技售后工程师联系。

(5)旋光仪停用时，应将塑料套套上。装箱时，应按固定位置放入箱内并压紧之。

九. 思考题

1.折光仪的工作原理是什么?

2.旋光仪的工作原理是什么?

3.为什么在样品测定前要检查旋光仪的零点？

4. 利用折射仪能否测出固体物质的折光率。（）

5．利用折射仪能否测出溶液的浓度。（）

6．某油脂，实验时温度为15℃，测得折光率=1.4660，那么油脂在20℃时的折光率为1.4638。（）

7每次测定样品的折光率后为什么要擦洗上下棱镜面？

8测定折光率对研究有机化合物有何意义？

9什么是化合物的折光率，影响折光率的因素有哪些？