一种利用旋光溶液测量液体密度的方法

1.本发明为一种测量液体密度的方法，具体涉及一种利用旋光溶液测量液体密度的方法。


背景技术：

2.平面偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象，称为旋光现象。具有旋光性的晶体或溶液称为旋光物质，偏转的角度称为旋光度。旋光度的大小与物体厚度，物体的物理特性有关，通过研究物质的旋光特性，可以鉴别物质类别，并分析物质浓度、含量、纯度等参量。
3.密度也是液体重要的物理参数之一。通过测定密度，可以区分化学组分相似但不同种类的物质，可以鉴定液体的纯度。工业生产检验中，密度是许多液体产品的质量控制指标之一。现有的测量透明溶液密度的方法主要有比重法、密度瓶法、玻璃浮计等方法。但是利用旋光溶液测量其他液体密度的方法，没有报道过。
4.本发明采用将待测溶液与已知旋光溶液进行混合，测量混合溶液旋光度，构建待测液体质量和混合溶液旋光度的关系，从而计算待测溶液的密度。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种测量液体密度的方法，通过测量混合溶液(x质量的待测液体与已知旋光溶液混合)的旋光度，计算待测液体的密度。
6.为此，本发明采用以下技术方案：包括激光器、起偏器、待测液体、旋光溶液、透明水槽、电子天平、检偏器、光屏；测量时，所述透明水槽中盛放旋光溶液，已知其质量为y，溶质质量为y1，密度为ρy；加入一定质量(x)的待测液体，搅拌均匀后，通过旋转检偏器和光屏上光斑的明暗，测得混合溶液的旋光度α；得到x与α的相互关系，即采用作图法，线性拟合数据，由直线斜率计算待测液体的密度ρ
x
。
7.测量原理如下：
8.由上述已知条件可知，旋光溶液体积为假设待测液体密度为ρ
x
，加入的质量为x，在不考虑体积变化的情况下，两种液体混合后的总体积为
[0009][0010]
此时，混合后旋光溶液的浓度为
[0011][0012]
已知旋光溶液的旋光度α的公式为，比旋光度、长度、浓度的乘积
[0013][0014]
(1)(2)(3)联立，可得待测液体浓度的数学表达式
[0015][0016]
测量具体步骤如下：
[0017]
第一步：调整好仪器，激光依次经过起偏器，透明水槽，检偏器，在光屏上形成光斑，旋转检偏器，光斑亮度明暗变化，当透明水槽为空，且光斑最暗时，检偏器刻度读数为θ0。
[0018]
第二步：配置浓度为的旋光溶液，质量为y，体积为vy，则密度溶质质量为
[0019]
第三步：将旋光溶液全部倒入透明水槽中，电子天平读数去皮，显示为零，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ
′0，则旋光度为α0＝θ
′
0-θ0，计算旋光溶液的比旋光度其中l为透明水槽的长度，
[0020]
第四步：在旋光溶液中加入一定质量的待测液体，电子天平读数为x1，得到混合溶液，搅拌均匀后，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ1，则旋光度为α1＝θ
1-θ0，
[0021]
第五步：重复第四步过程，得到电子天平读数为x2，记录消光状态时，检偏器读数为θ2，则旋光度为α2＝θ
2-θ0，
[0022]
第六步：重复第四，第五步过程，得到x与α的相互关系，即
[0023]
第七步：采用作图法，将为纵坐标，x为横坐标，拟合实验数据，得到斜率为计算待测液体的密度ρ
x
。
[0024]
进一步优选地，上述激光器发射632.8nm的激光，使得光斑明暗变化现象清晰。
[0025]
进一步优选地，上述第三步中，比旋光度的测量重复多次，确保其在波长632.8nm，20℃时的测量数值，误差最小。
[0026]
进一步优选地，上述第四、五步中，在旋光溶液中加入一定质量的待测液体后，必须搅拌均匀，待混合溶液稳定后，再进行旋光度α的测量。
[0027]
进一步优选地，上述整个测试过程中，包括添加待测液体，搅拌混合溶液，旋转检偏器，都要求光路和透明水槽的位置，固定不变。
[0028]
进一步优选地，上述电子天平直接称量出加入的待测液体质量，提高了测量精度。
[0029]
进一步优选地，上述检偏器带有游标盘，精度可达5’，消光时的角度测量更为准确。
[0030]
进一步优选地，上述光屏可以替换为高灵敏度光电探测器，也使消光时的角度测量更为准确。
[0031]
本发明的有益效果是：透明水槽中，加入已知旋光溶液，测量其旋光度，得到已知旋光溶液在该温度t和该激光波长λ下的比旋光度(旋光溶液物理参数之一)；之后仅需多次加入不同质量的待测溶液，测量混合溶液的旋光度，就可计算出待测液体的密度。本发明仪器搭建简单，测量方法简单，原理清晰，现象明显，测量准确，可以作为测量液体密度的
一种方法进行推广，扩大了旋光溶液的应用范围，也适合实验课堂的教学使用。
附图说明
[0032]
图1为本发明的测量示意图；
[0033]
图2为待测溶液为水(密度1.0克/毫升)的实验数据图；
[0034]
图3为待测溶液为食盐水(密度1.161克/毫升)的实验数据图；
[0035]
图中：1、激光器，2、起偏器，3、待测液体，4、旋光溶液，5、透明水槽，6、电子天平，7、检偏器，8、光屏。
具体实施方式
[0036]
下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0037]
本发明提供的测量示意图，如图1所示。选择蔗糖溶液为旋光溶液，水或食盐水溶液作为待测液体，进行实验。
[0038]
实施例一(以水作为待测液体)
[0039]
操作步骤如下：
[0040]
1.第一步：调整好仪器，打开激光器1，发射632.8nm的红色激光作为测试用入射光线，依次经过起偏器2，透明水槽5，检偏器7，在光屏8上形成光斑，当透明水槽中没有加任何液体时，旋转检偏器，使得光斑最暗，此时检偏器刻度读数为θ0＝285
°
40
′
。
[0041]
第二步：配置浓度为的旋光溶液，质量为110.5g，体积为vy＝100ml，则密度溶质质量为
[0042]
第三步：将蔗糖溶液4全部倒入透明水槽中(溶液的长度l＝1.1456dm)，电子天平6读数去皮，显示为零，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ
′0＝303
°
20
′
，则旋光度α0＝θ
′
0-θ0＝17
°
40
′
，计算其比旋光度
[0043]
第四步：在蔗糖溶液中加入25g的水，电子天平读数为25.0g(x1＝25g)，得到蔗糖与水的混合溶液，相当于稀释了的蔗糖溶液，搅拌均匀后，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ1＝299
°
50
′
，则旋光度α1＝θ
1-θ0＝14
°
10
′
。
[0044]
第五步：重复第四步过程，得到电子天平读数为50g(x2＝50g)，记录消光状态时，检偏器读数为θ2＝297
°
35
′
，则旋光度α2＝θ
2-θ0＝11
°
55
′
。
[0045]
第六步：再次加入25g水两次，即x3＝75g，x4＝100g，消光时的检偏器读数θ3，θ4，和旋光度α3，α4，得到x与α的相互关系，即测量数据如表1所示。
[0046]
第七步：如图2所示，采用作图法，将为纵坐标，x为横坐标，拟合实验数据，得到斜率为则水的密度测量值为1.0177g/ml，与水的密度1.0g/ml相比较，误差仅为1.8％。
[0047]
表1以水作为待测溶液的测量数据
[0048][0049]
实施例二(以食盐水溶液作为待测液体)
[0050]
操作步骤如下：
[0051]
第一步：调整好仪器，打开激光器1，发射632.8nm的红色激光作为测试用入射光线，依次经过起偏器2，透明水槽5，检偏器7，在光屏8上形成光斑，当透明水槽中没有加任何液体时，旋转检偏器，使得光斑最暗，此时检偏器刻度读数为θ0＝285
°
40
′
。
[0052]
第二步：配置浓度为的旋光溶液，质量为110.5g，体积为vy＝100ml，则密度溶质质量为
[0053]
第三步：将蔗糖溶液4全部倒入透明水槽中(溶液的长度l＝1.1456dm)，电子天平6读数去皮，显示为零，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ
′0＝303
°
20
′
，则旋光度α0＝θ
′
0-θ0＝17
°
40
′
，计算其比旋光度
[0054]
第四步：在蔗糖溶液中加入25g的食盐水溶液，电子天平读数为25.0g(x1＝25g)，得到蔗糖与食盐水溶液的混合溶液，搅拌均匀后，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ1＝300
°
15
′
，则旋光度α1＝θ
1-θ0＝14
°
35
′
。
[0055]
第五步：重复第四步过程，得到电子天平读数为50.0g(x2＝50g)，记录消光状态时，检偏器读数为θ2＝298
°5′
，则旋光度α2＝θ
2-θ0＝12
°
25
′
。
[0056]
第六步：再次加入25g的食盐水溶液两次，即x3＝75g，x4＝100g，消光时的检偏器读数θ3，θ4，和旋光度α3，α4，得到x与α的相互关系，即测量数据如表2所示。
[0057]
第七步：如图3所示，采用作图法，将为纵坐标，x为横坐标，拟合实验数据，得到斜率为则食盐水溶液的密度测量值为1.1867g/ml。实验中的食盐水溶液的密度为1.161g/ml，所以测量值的误差仅为2.2％。
[0058]
表2以食盐水作为待测溶液的测量数据
[0059][0060]
可见本发明提供的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，测量误差小，是行之
有效的。
[0061]
以上所述仅是本发明的两个实施例，并非限制本发明的专利范围，故依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，包括激光器、起偏器、待测液体、旋光溶液、透明水槽、电子天平、检偏器、光屏；测量时，所述透明水槽中盛放旋光溶液，已知其质量为y，溶质质量为y1，密度为ρ
y
；加入一定质量(x)的待测液体，搅拌均匀后，通过旋转检偏器和光屏上光斑的明暗，测得混合溶液的旋光度α；得到x与α的相互关系，即采用作图法，线性拟合数据，由直线斜率计算待测液体的密度ρ
x
；具体测量步骤如下：第一步：调整好仪器，激光依次经过起偏器，透明水槽，检偏器，在光屏上形成光斑，旋转检偏器，光斑亮度明暗变化，当透明水槽为空，且光斑最暗时，检偏器刻度读数为θ0，第二步：配置浓度为的旋光溶液，质量为y，体积为v
y
，溶质质量为密度ρ
y
＝y/v
y
，第三步：将旋光溶液全部倒入透明水槽中，电子天平读数去皮，显示为零，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ
′0，则旋光度为α0＝θ
′
0-θ0，计算旋光溶液的比旋光度其中l为透明水槽的长度，第四步：在旋光溶液中加入一定质量的待测液体，电子天平读数为x1，得到混合溶液，搅拌均匀后，发现光斑变亮，旋转检偏器到消光状态，使光斑最暗，记录此时检偏器读数为θ1，则旋光度为α1＝θ
1-θ0，第五步：重复第四步过程，得到电子天平读数为x2，记录消光状态时，检偏器读数为θ2，则旋光度为α2＝θ
2-θ0，第六步：重复第四，第五步过程，得到x与α的相互关系，即第七步：采用作图法，将为纵坐标，x为横坐标，拟合实验数据，得到斜率为计算待测液体的密度ρ
x
。2.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，所述激光器发射632.8nm的激光，使得光斑明暗变化现象清晰。3.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，第三步中，比旋光度的测量重复多次，确保其在波长632.8nm，20℃时的测量数值，误差最小。4.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，第四、五步中，在旋光溶液中加入一定质量的待测液体后，必须搅拌均匀，待混合溶液稳定后，再进行旋光度α
i
的测量。5.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，整个测试过程中，包括添加待测液体，搅拌混合溶液，旋转检偏器，都要求光路和透明水槽的位置，固定不变。6.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，所述电子天平直接称量出加入的待测液体质量，提高了测量精度。7.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，所述检偏器带有游标盘，精度可达5
′
，消光时的角度测量更为准确。8.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，所述光
屏可以替换为高灵敏度光电探测器，也使消光时的角度测量更为准确。9.根据权利要求1所述的一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，其特征在于，所述测量液体密度的方法，物理原理清晰，现象明显，测量过程简单，测量准确，适合实验课堂的教学使用。

技术总结
本发明首次公开了一种利用旋光溶液测量液体密度的方法，包括激光器、起偏器、待测液体、旋光溶液、透明水槽、电子天平、检偏器、光屏。长度为l的透明水槽中盛放旋光溶液，已知其质量为γ，溶质质量为γ1，密度为ρ


技术研发人员：杨子轩 周屹韬 芮云军
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/8/14