實驗七旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數新

1、旋光法測定蔗糖轉化反應的活化能一、實驗目的1.了解蔗糖轉化反應體系中各物質濃度與旋光度之間的關系。 2.測定蔗糖轉化反應的速率常數和半衰期。 3.了解旋光儀的基本原理，掌握其使用方法。二、 基本原理蔗糖在水中轉化成葡萄糖和果糖，其反應為： C12H22O11+H2O C6H12O6+C6H12O6（蔗糖） （葡萄糖） （果糖）它是一個二級反應，在純水中此反應的速率很慢，通常需要在H+離子催化作用下進行。由于反應時水是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應，仍可近似地認為整個反應中水的濃度是恒定的；而且H+是催化劑，其濃度也保持不變。因此蔗糖轉化反應可看作是準一級反應。 一級反應的速率方程可由下

2、式表示： = (1)CA為時間時反應物的濃度，為反應速率常數。 積分可得： (2)式中， CA,0為反應物的初始濃度。 當CA=1/2CA,0時，t可用t1/2表示，即為反應的半衰期。由(2)式可得:                        (3)從上式可以看出，在不同時間測定反應物的相應濃度，并以對作圖，可得一條直線，由直線的斜率可求得反應速率常數，由于反應是不斷進行的

3、，要快速分析出反應物的濃度是很困難的。但蔗糖及其轉化產物都具有旋光性，而且它們的旋光能力不同，故可利用體系在反應進程中旋光度的變化來度量反應的進程。 溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質的旋光能力、溶劑性質、溶液濃度、樣品管的長度及溫度均有關系。當其它條件均固定時，旋光度與反應物濃度呈線性關系，即 =c （4） 式中比例常數與物質旋光能力、溶劑性質、樣品管長度、溫度等有關。作為反應物的蔗糖是右旋性物質，其比旋光度 =66.6º；生成物中葡萄糖也是右旋光性物質，其比旋光度 =52.5º，但果糖是左旋性物質，其比旋光度 =-91.9º。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋

4、性大，所以生成物呈左旋性質。因此隨著反應的進行，體系的右旋角不斷減小，反應至某一瞬間，體系的旋光度可恰好等于零，而后就變成左旋，直至完全轉化，這時左旋角達到最大值。旋光度與濃度成正比，并且溶液的旋光度為各組成的旋光度之和。若反應時間為0，t，時溶液的旋光度分別用0，t，旋光度與濃度成正比，并且溶液的旋光度為各組成的旋光度之和。若反應時間為0，t，時溶液的旋光度分別用0，表示。 t=蔗c+(葡+果)（c0- c） （5）=(葡+果)c0 （6）由以上三式可得c0 =（0-）蔗-(葡+果)-1 (7)c=（t-）蔗-(葡+果)-1 (8)將式(7)、（8）代入式（2）并整理得經聯立方程可推導出：

5、) 顯然，以對作圖可得一直線，直線斜率即為-。三、 儀器、試劑WZZ-3型自動旋光儀 移液管（25ml）恒溫水浴蔗糖（分析純）容量瓶（50ml）HCl（4.00N）錐形瓶（150ml）燒杯（50ml）四、 實驗步驟1 自動旋光儀的使用a) 將儀器電源插頭插入220V交流電源，打開儀器右側的電源開關，這時鈉光燈應啟輝，需經5分鐘鈉光燈才發(fā)光穩(wěn)定。b) 將儀器右側的光源開關向上扳到支流位置，直流燈點亮后按“回車”鍵這時液晶顯示屏即有MODE L C n選項顯示（MODE為模式，C為濃度，L為旋光管長度dm，n為測試次數；默認值：MODE：1；L：2.0；C：0；n：1）。c) MODE1即為旋光度

6、測試，所以在測試中無需改變參數的設置。MODE2：比旋度；MODE3：濃度；MODE4：糖度；2. 旋光儀的零點校正蒸餾水為非旋光性物質，可以用來校正旋光儀的零點。校正時，先洗凈樣品管，再向管內灌滿蒸餾水，在上面形成一凸面，然后蓋上玻璃片和套蓋，此時管內不應有氣泡存在；如果旋光管中有氣泡，應先讓氣泡浮在凸頸處；通光面兩端的霧狀水滴，應用濾紙擦干；旋光管螺帽不宜旋的過緊，以免產生應力，影響讀數；旋光管安放時應注意標記的位置和方向。將旋光管放放入旋光儀的光路中，蓋上箱蓋，此時旋光儀自動開始測量，待讀數穩(wěn)定后，按“清零”鍵，液晶屏上會顯示0讀數。3. 反應過程的旋光度的測定稱取10g蔗糖，在錐形瓶內

7、加入50ml蒸餾水溶解，溶解完全后，用移液管吸取25ml蔗糖溶液注入預先清潔干燥的錐形瓶中；用另一支移液管吸取25ml4.00N的HCl溶液加入25ml的蔗糖溶液中，同時記下反應開始的時間，迅速混合均勻后，用少量反應液潤洗旋光管兩次，然后將反應液裝滿旋光管，旋上套蓋，放入自動旋光儀中，蓋好箱蓋。儀器將自動顯示該樣品的旋光度。第一個數據在3分鐘時測量，前15分鐘內每分鐘測量一次，以后由于反應物的濃度降低，使反應速率變慢，可以每次間隔5分鐘測量一次，一直測量到旋光度為負值為止。4. 的測量：通常有兩種方法測定，一是將剩余的25ml蔗糖溶液中加入25ml 4.00mol/L的HCl溶液，放入60恒溫

8、水浴中溫熱30分鐘以上，使水解完全。然后取出，冷至室溫下測量旋光度，在10分鐘內讀取5個數據，取其平均值，即為。一是將反應放置48小時以上，讓其反應完全后測；一種方法容易產生副反應，使溶液顏色變黃。而后一種方法時間太長。在上述操作過程中，因為加熱，常導致反應體系中算河水的揮發(fā)，影響反應物質的濃度和反映進程，而且蔗糖在此實驗條件下是否完全轉化為產物，也不容易確定。因此可以采用Guggenheim法處理數據（見問題討論部分），這樣可以不必測。本實驗采用第一種方法。 實驗完畢，洗凈量筒和錐形瓶，放入烘箱中干燥。洗凈樣品管，注入蒸餾水，放入旋光儀。五、數據記錄和處理1、t= ， = t/min /(&

9、#176;)ln（） t /min/(°)ln（）3 144 155 206 257 308 359 4010 4511 5012 5513 602、以ln（）對t作圖，從所得直線斜率求。3、計算蔗糖轉化反應的半衰期t1/2。 六、注意事項 1.裝樣品時，旋光管管蓋旋至不漏液體即可，不要用力過猛，以免壓碎玻璃片。 2.在測定時，通過加熱使反應速度加快轉化完全。但加熱溫度不要超過60。 3.由于酸對儀器有腐蝕，操作時應特別注意，避免酸液滴漏到儀器上。實驗結束后必須將旋光管洗凈。 4.旋光儀中的鈉光燈不宜長時間開啟，測量間隔較長時應熄滅，以免損壞。七、問題討論1. 實驗關鍵點溫度對實驗數

10、據的影響大，要注意整個實驗時間內的恒溫。若無樣品管恒溫夾套，則旋管光管離開恒溫水浴適應短。根據實驗數據，當H+=1mol·L-1、蔗糖溶液的濃度為10%時， 則 k(303.7K)=3.35×10-2min-1 k(313.2K)=7.92×10-2min-1 由以上數據求得：在303.7313.2K溫度范圍內，平均活化能Ea71kJ·mol-1。由此可見，本實驗的實驗溫度范圍最好控制在288303K內。溫度過高，反應速度太快，讀數將發(fā)生困難1。HCI溶液的濃度也要配制準確，因為H+對反應速度常數有影響，影響情況見表1。若酸濃度不準，盡管數據的線性關系較

11、好，但k值偏離文獻數據。 表1 溫度和鹽酸濃度對蔗糖水解速率的影響2(蔗糖溶液濃度均為10%) 0.0502 0.4169 1.738 6.213 0.2512 2.255 9.355 35.86 0.41374.043 17.00 60.62 0.900011.16 46.76 148.8 1.21417.455 75.97 - 有研究報道，在30的實驗條件下，HCI濃度在13mol·L-1范圍時，蔗糖水解速率常數k與H+的關系為：。實驗在30，蔗糖反應液配制：蔗糖（10g）+水（50mL)+ HCI(25 mL，4mol/L)，已知反應液中H+=1.33 mol/L，將代入上述計

12、算，得速率常數值k=0.0395 min-1。應用本文提出的方法得到的k1=0.035985 min-1和k2=0.038977 min-1，比常規(guī)方法得到的k1=0.05104 min-1和k2=0.06092min-1更接近于文獻值3。 2. 實驗中，為什么用蒸餾水來校正旋光儀的零點?在蔗糖轉化反應過程中，所測的旋光度是否需要零點校正?為什么? 解：一般蒸餾水的旋光度很小或接近零，因此用蒸餾水可以校正儀器。另一方面由于水也有一定的旋光度對于溶液的旋光度有一定的影響，即導致旋光度的偏高，結果反應速率常數也受到影響，因此進行校正。3. 為什么配制蔗糖溶液可用粗天平稱量? 解：對于這個假定分子（

13、二級）反應，由于存在大量水，雖有部分水分子參加反應，但在反應過程中水的濃度變化極小，所以只要蔗糖濃度不太濃，水的濃度變化問題對反應速速率影響不大。 盡管蔗糖的轉化速率與蔗糖濃度、酸濃度、溫度及催化劑種類有關，但反應速率常數k與其中的蔗糖濃度無關，這是可以從公式看出的。4. 蔗糖的轉化速度和哪些因素有關？解：鹽酸的密度稍大于蔗糖，將鹽酸加蔗糖溶液時溶液可以容易混合，否則混合不均勻就影響反應的均勻進行。5.對旋光度不變的某樣品，若用長度為10cm，20cm旋光管測其旋光度，測量值分別為，則（A）=2 （B）2= （C）= （ D）解：6測定蔗糖轉化反應的速率常數可用下列哪一種方法：（A）量氣體體積

14、 （B）旋光法 （C）電導法 （ D）分光光度法解：（B）7在測定蔗糖溶液旋光度時，使用的光源是：（A）鈉光燈 （B）白軹燈 （C）水銀燈 （ D）紅外燈解：（A）8. 為什么蔗糖轉化反應可看作是準一級反應？ 解：蔗糖水解反應動力學早在1850年即為Wilhelmy所建立，它是化學動力學中最早經過定量研究的一個反應。不論在實驗原理上還是在實驗測定方法上都具有代表性，因而幾乎被國內所有的物理化學實驗教材所選用。精確的實驗結果表明，蔗糖水解的反應速率為：式中c為蔗糖的濃度，即反應實際上為8級反應。在本實驗條件下，10克蔗糖溶于50ml水中，其濃度為： 而水的濃度為： ,即 >>c。而在

15、反應過程中保持不變，在這種情況下，反應速率可表示為 ，其中 。 因此，H2O的高濃度和 不變是蔗糖水解表現為一級反應的條件，這種一級反應為“準一級反應”（或稱“假一級”反應）。9. 如果沒有數據（或者反應未趨完全），是否也能求得反應速率常數？解：可以。把在t 和t +（代表一定的時間間隔）測得分別用和表示，則有=（） （4） =（） （5）（4）式-（5）式=（）（1）取對數)= （6） 從（6）式可看出，只要保持不變，右端第一項為常數，從 ) 對t作圖所得直線的斜率即可求得?？蛇x為半衰期的23倍，或反應接進完成的時間之半。本實驗可取=30min，每隔5min取一次讀數。1、 取=30min，每隔5分鐘取一次數據，列出記錄表格。 t/min/(°)（t +）/min/(°)-ln（）5 35 10 40 15 45 20 50 25 55 30