39旋光度法测定蔗糖水解反应的速率常数

实验七一级反应——蔗糖的转化一、实验目的1．了解蔗糖转化反应体系中各物质浓度与旋光度之间的关系。2．测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。3．了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法。二、预习要求1．掌握旋光度与蔗糖转化反应速率常数的关系。2．.掌握αt与α∞的测定方法。3．了解旋光仪的构造及使用方法。三、实验原理蔗糖转化反应为：C12H22O11+H2O→C6H12O6+C6H12O6蔗糖葡萄糖果糖为使水解反应加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。由于反应中水是大量的，可以认为整个反应中水的浓度基本是恒定的。而H+是催化剂，其浓度也是固定的。所以，此反应可视为假一级反应。其动力学方程为kcdTdc(1)式中，k为反应速率常数；C为时间t时的反应物浓度。将(1)式积分得：0lnlncktc(2)式中，c0为反应物的初始浓度。当c=1/2c0时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期。由(2)式可得：kkt693.02ln21(3)蔗糖及水解产物均为旋光性物质。但它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、光源波长及温度等因素有关。为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表示：cltD][(4)式中，t为实验温度(℃)；D为光源波长；α为旋光度；l为液层厚度(m)；c为浓度(kg·m-3)。由(4)式可知，当其它条件不变时，旋光度α与浓度C成正比。在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α]20D=66.6°。产物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度[α]20D=52.5°；而产物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度[α]20D=-91.9°。因此，随着水解反应的进行，右旋角不断减小，最后经过零点变成左旋。旋光度与浓度成正比，并且溶液的旋光度为各组成的旋光度之和。若反应时间为0，t，∞时溶液的旋光度分别用α0，αt，α∞表示。则：α0＝K反c0(表示蔗糖未转化)(6)α∞＝K生c0(表示蔗糖已完全转化)(7)式(6)、(7)中的K反和K生分别为对应反应物与产物之比例常数。αt＝K反c＋K生（c0－c）(8)由(6)、(7)、(8)三式联立可以解得：000KKKc生反(9)ttKKKc生反(10)将(9)、(10)两式代入(2)式即得：0lnlnktt(11)由(11)式可见，以ln(αt－α∞)对t作图为一直线，由该直线的斜率即可求得反应速率常数k。进而可求得半衰期t1/2。根据阿累尼乌斯公式211212)(lnTRTTTEkka，可求出蔗糖转化反应的活化能Ea。四、仪器与药品1．仪器旋光仪1台；恒温旋光管1只；恒温槽1套；台称1台；停表1块；烧杯(100mL)1个；移液管(30mL)2只；带塞三角瓶(100mL)2只。2．药品HCl溶液(4mol·dm-3)；蔗糖(分析纯)。五、实验步骤1．将恒温槽调节到(25.0±0.1)℃恒温，然后在恒温旋光管中接上恒温水。2．旋光仪零点的校正洗净恒温旋光管，将管子一端的盖子旋紧，向管内注入蒸馏水，把玻璃片盖好，使管内无气泡存在。再旋紧套盖，勿使漏水。用吸水纸擦净旋光管，再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净。放入旋光仪中盖上槽盖，打开光源，调节目镜使视野清晰，然后旋转检偏镜至观察到的三分视野暗度相等为止，记下检偏镜之旋转角α，重复操作三次，取其平均值，即为旋光仪的零点。3．蔗糖水解过程中αt的测定用台称称取10g蔗糖，放入100mL烧杯中，加入50mL蒸馏水配成溶液(若溶液混浊则需过滤)。用移液管取30mL蔗糖溶液置于100mL带塞三角瓶中。移取30mL4mol·dm-3HCl溶液于另一100mL带塞三角瓶中。一起放入恒温槽内，恒温10min。取出两只三角瓶，将HCl迅速倒入蔗糖中，来回倒三次，使之充分混合。并且在加入HCl时开始记时，将混合液装满旋光管(操作同装蒸馏水相同)。装好擦净立刻置于旋光仪中，盖上槽盖。测量不同时间t时溶液的旋光度αt。测定时要迅速准确，当将三分视野暗度调节相同后，先记下时间，再读取旋光度。每隔一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每3min读一次，30min后，每5min读一次。测定1h。4．α∞的测定将步骤3剩余的混合液置于近60℃的水浴中，恒温30min以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即可认为是α∞。5．将恒温槽调节到(30.0±0.1)℃恒温，按实验步骤3、4测定30.0℃时的αt及α∞。6．本实验也可采用自动旋光仪进行测定，其操作步骤与本实验相同。自动旋光仪的使用方法见第Ⅱ部分第五章光学测量技术及仪器。六、注意事项1．装样品时，旋光管管盖旋至不漏液体即可，不要用力过猛，以免压碎玻璃片。2．在测定α∞时，通过加热使反应速度加快转化完全。但加热温度不要超过60℃。3．由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴漏到仪器上。实验结束后必须将旋光管洗净。4．旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启，测量间隔较长时应熄灭，以免损坏。七、数据处理1．将实验数据记录于下表：温度：；盐酸浓度：；α∞：2．以ln(αt-α∞)对t作图，由所得直线的斜率求出反应速率常数k。3．计算蔗糖转化反应的半衰期t1/2。4．由两个温度测得的k计算反应的活化能。【思考问题】1.实验中，为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点?在蔗糖转化反应过程中，所测的旋光度αt是否需要零点校正?为什么?2.蔗糖溶液为什么可粗略配制?3.蔗糖的转化速度和哪些因素有关?反应时间αtαt-α∞ln(αt-α∞)