蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定--另一種方法

1、蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定實(shí)驗?zāi)康模?）明了旋光度法測定化學(xué)反應(yīng)速率的原理；（2）測定蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)；（3）掌握旋光儀的使用方法；（4）掌握用圖解法求反應(yīng)速率常數(shù)。實(shí)驗原理蔗糖溶液在H+離子存在時，按下式進(jìn)行水解：C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖 果糖時間t=0 c0 0 0t=t c0-cx cx cxt= 0 c0 c0其中，c0為反應(yīng)物初始濃度，cx為反應(yīng)進(jìn)行至t時間的產(chǎn)物濃度，c0-cx為反應(yīng)進(jìn)行t時間后反應(yīng)物的濃度。此反應(yīng)中H+離子為催化劑。當(dāng)H+離子濃度一定時，此反應(yīng)在某時間t的反應(yīng)速率與蔗糖及水濃度一次方的乘積成正比，故為二級

2、反應(yīng)。由于在反應(yīng)過程中水是大大過量，故認(rèn)為水的濃度在反應(yīng)過程中不變，這樣蔗糖水解反應(yīng)就可以作為一級反應(yīng)處理，起速率方程的積分式為： （1）式中，c0為反應(yīng)開始時蔗糖的濃度；c0-cx為反應(yīng)至?xí)r間t時蔗糖的濃度；k為速率常數(shù)。若測得在反應(yīng)過程中不同時刻對應(yīng)的蔗糖濃度，代入上式就可以求出此反應(yīng)的速率常數(shù)k。而測定各時間所對應(yīng)的反應(yīng)物濃度的方法有化學(xué)方法與物理方法兩種?；瘜W(xué)方法是在反應(yīng)過程中反應(yīng)進(jìn)行若干時間，取出一部分反應(yīng)混合物，并讓其迅速停止反應(yīng)，記錄時間，然后分析與此時間相對應(yīng)的反應(yīng)物濃度。但是要時反應(yīng)迅速停止在實(shí)驗上是很困難的，因而所分析的濃度總與取樣的時間存在偏差，所以此方法是不夠準(zhǔn)確的；而

3、物理方法則是利用反應(yīng)系統(tǒng)中某一物理性質(zhì)（如電導(dǎo)率、折射率、旋光度、吸收光譜、體積、氣壓等）與反應(yīng)物的濃度有直接關(guān)系時，通過測量該物理性質(zhì)的變化就可相應(yīng)知道反應(yīng)物濃度的改變。不過對物理性質(zhì)有以下要求：（1）物理性質(zhì)和反應(yīng)物的濃度要有簡單的線性關(guān)系，最好是正比關(guān)系；（2）在反應(yīng)過程中反應(yīng)系統(tǒng)的物理性質(zhì)要有明顯的變化；（3）不能有干擾因素。這個方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要從反應(yīng)物系中取出樣品，可直接測定，而且可連續(xù)地進(jìn)行分析，方便迅速，還可將物理性質(zhì)變成電信號進(jìn)行自動記錄等。但應(yīng)用此法時要注意：如果反應(yīng)系統(tǒng)中有副反應(yīng)或少量雜質(zhì)對所測量的物理性質(zhì)影響較靈敏時，將會造成較大的誤差。對于蔗糖水解成葡萄糖與果糖實(shí)驗，

4、因反應(yīng)物與生成物均具有旋光性，且旋光能力相差較大，故可用系統(tǒng)反應(yīng)過程中旋光度的變化來度量反應(yīng)過程中反應(yīng)物濃度的變化。旋光度與濃度有如下的關(guān)系：當(dāng)偏振光通過一旋光物質(zhì)溶液時，偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)一角度，稱為旋光角。此角度的大小與偏振光所通過的溶液濃度及液層厚度成正比。即 （2）式中，c為溶液濃度；l為液層厚度。式（-2）也可寫成 (3稱為旋光物質(zhì)的比旋光度，其意義為：當(dāng)1mL旋光物質(zhì)溶液中含1g旋光物質(zhì)，而且液層厚度為1dm時該旋光物質(zhì)引起的旋光角。由于為光波波長、溫度的函數(shù)，一般規(guī)定光波波長為鈉黃光（波長589.3nm）及溫度在20，故寫成。而且在稀溶液范圍內(nèi)，對兩種或兩種旋光物質(zhì)的混合液其旋光

5、角等于各旋光物質(zhì)引起的旋光角的代數(shù)和。根據(jù)上面所指出的，蔗糖水解反應(yīng)在水過量存在的條件下表現(xiàn)為一級反應(yīng)，即當(dāng)t=0時，此時溶液中只有蔗糖，測得旋光角為0。而且液層厚度一定時，則0可以反映蔗糖的起始濃度c0（蒸餾水旋光角為零），即 (4當(dāng)t=t時，測得溶液的旋光角為t，此時的t應(yīng)為蔗糖、葡萄糖、果糖三者貢獻(xiàn)之和。即 (5當(dāng)t=時，表示蔗糖完全水解，溶液中只有果糖與葡萄糖，此時測得的旋光角為。它應(yīng)是果糖和葡萄糖貢獻(xiàn)之和，即 （6）聯(lián)立（-4） 、（-5）和（-6）得： （7） （8）將式（7）與式（8）代入（1）中，整理得 （9）從式（9）可知，若以對t作圖為一直線，蔗糖水解反應(yīng)的k可以從直線斜率

6、求出。通常有兩種方法測定，一種是將反應(yīng)液放置48h以上，讓其反應(yīng)完全后測；一種是將反應(yīng)液在50-60水浴中加熱半小時以上，在冷卻到實(shí)驗溫度測。兩種方法各有缺點(diǎn)。本實(shí)驗采用Guggenheim法處理數(shù)據(jù)，可不測，保持不變，以對t作圖所得直線的斜率可求得k?？蛇x為半衰期的2-3倍，或反應(yīng)接近完成的時間一半，本實(shí)驗可選為30min，每隔5min取一次讀數(shù)。蔗糖、葡萄糖都是右旋性的旋光物質(zhì)，右旋的旋光角用正號表示。蔗糖的=+66.55°；葡萄糖的=+52.5°。而果糖是左旋性的，左旋性的旋光角則用負(fù)號表示：果糖的=-91.9°。從值可看出，反應(yīng)開始時是右旋的旋光角，但隨著

7、反應(yīng)的進(jìn)行，蔗糖轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖，則右旋旋光角隨之不斷減小。當(dāng)反應(yīng)完畢后，溶液的旋光角變?yōu)樽笮男饨恰x器和藥品儀器：旋光儀一架、停表一只、100mL燒杯一個、25mL移液管兩支、恒溫槽一套，玻棒1支，蒸餾水瓶藥品：HCl溶液（2mol·L-1）、蔗糖、蒸餾水。實(shí)驗步驟（1）旋光儀的使用及零點(diǎn)的矯正。將旋光儀用的鈉光燈與鎮(zhèn)流器接通，連接并將鎮(zhèn)流器與電源接通。同時將清洗干凈的旋光管一端打開并注入蒸餾水，直至蒸餾水高出管口邊緣（注意檢查旋光管是否漏水或有無氣泡）。即形成一凸液面后，將玻璃蓋片從管口邊緣推入（不是蓋上，為什么？），在玻璃片上放上橡皮圈，再適當(dāng)擰緊旋光管（不可用力過大！）

8、，將旋光管外部擦干后放入旋光儀中。測量時首先調(diào)節(jié)目鏡使視野邊界呈清晰的圓光點(diǎn)，然后慢慢旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，直到視場中能觀察到明暗相等的三分視野為止，記下刻度盤讀數(shù)。重復(fù)操作數(shù)次，取其平均值，此即旋光儀的零點(diǎn)。測后取出旋光管，倒出蒸餾水，用濾紙擦干備用。（2）稱取蔗糖5g置于燒杯，移液管移取25mL蒸餾水置于燒杯將蔗糖完全溶解，用移液管移取濃度為2mol·L-1 HCl溶液25mL加到盛有蔗糖溶液的燒杯中，當(dāng)HCl溶液全部加入時開動停表作為反應(yīng)的開始時間，并小心地?fù)u動均勻。（3）用少量的混合液刷洗擦干的旋光管二次后，將混合液倒?jié)M旋光管，推好玻璃片，旋緊套蓋（檢查是否漏液，有無氣泡），擦凈旋光管

9、兩端玻璃片及外部，于旋光儀中測反應(yīng)在5min時的旋光角，測試完畢將旋光管至于25的恒溫水浴鍋中。（4）此后依次讀取在第10、15、20、2550min時相應(yīng)的旋光角t。（5）實(shí)驗結(jié)束后,將恒溫水浴調(diào)至30，重復(fù)（2）-（4）（6）實(shí)驗結(jié)束，立即用自來水將旋光管洗凈擦干，防止酸腐蝕旋光管。數(shù)據(jù)記錄和處理實(shí)驗溫度t= 反應(yīng)時間t/mint(t+mint+5301035154020452550用對t作圖，由所得直線斜率求出反應(yīng)速率常數(shù)k思考題：（1）蔗糖水解速率與哪些因素有關(guān)？（2）試驗中在將酸和糖溶液混合時，反應(yīng)立即開始，而測定旋光角只能在經(jīng)過一段時間之后，如何求得開始的旋光角（即0）？（3）反應(yīng)溶液中酸溶度對反應(yīng)速率常數(shù)有無影響？（4）在測定也得時將溶液在50下加熱30min，其目的是什么？（5）用物理方法測量反應(yīng)速率有何優(yōu)點(diǎn)？采用物理方法