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旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数一、目的要求1、了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法；2、了解反应的反应物浓度与旋光度之间的关系；3、测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。二、基本原理蔗糖在水中水解成葡萄糖的反应为：C12H22O11（蔗糖）+H2OC6H12O6（葡萄糖）+C6H12O6（果糖）这是一个二级反应，但在H+浓度和水量保持不变时，反应可视为一级反应，速率方程式可表示为：式中C为时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。上式积分可得：C0为反应开始时反应物浓度。当C=0.5C0时,可用t1/2表示,既为反应半衰期:t1/2=ln2/k=0.693/k从可看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，并以ln对t作图，可得一直线，由直线斜率既可得反应速率常数k。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度的困难的。但蔗糖及其转化物，都具有旋光性，而且它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应的进程。测量物质旋光度的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含物质的旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关系。当其它条件固定时，旋光度α与反应物浓度C呈线形关系，即α=βC。式中比例常数β与物质旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度、温度等有关。物质的旋光能力用比旋光度来度量,比旋光度用下式表示:[α]D20=α×100/l×CA(16—5)式中[α]D20右上角的“20”表示实验时温度为20℃，D是指用钠灯光源D线的波长(即589nm)，α为测得的旋光度(o)，l为样品管长度(dm)，CA为浓度(g/100mL)。作为反应物的蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α]D20=66.6o；生成物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度[α]D20=52.5o，但果糖是左旋性物质，其比旋光度[α]D20=-91.9o。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈现左旋性质。因此随着反应进行，体系的右旋角不断减小，反应至某一瞬间，体系的旋光度可恰好等于零，而后就变成左旋，直至蔗糖完全转化，这时左旋角达到最大值α∞。设体系最初的旋光度为α0=β反C0(t=0，蔗糖尚未转化)体系最终的旋光度为α∞=β生C0(t=∞，蔗糖已完全转化)以上两式中β反和β生分别为反应物与生成物的比例常数。当时间为t时,蔗糖浓度为C，此时旋光度为αt，即αt=β反C+β生(C0–C)由以上三式联立可解得：C0=(α0-α∞)/(β反-β生)=β′(α0-α∞)C=(αt-α∞)/(β反-β生)=β′(αt-α∞)将以上两式代入即得：ln(αt-α∞)=-kt+ln(α0-α∞)显然,以ln(α0-α∞)对t作图可得一直线，从直线斜率既可求得反应速率常数k。三、仪器试剂旋光仪移液管(25mL)2支恒温箱蔗糖(分析纯)具塞大试管（50mL）2支HCl溶液四、实验步骤1、仪器装置请仔细阅读仪器九“旋光仪”，了解旋光仪的构造，原理，掌握使用方法。2、旋光仪的零点校正蒸馏水为非旋光物资，可以用来校正旋光仪的零点（即α=0时仪器对应的刻度）。校正时，先洗净样品管，将管的一端加上盖子，并由另一端向管内灌满蒸馏水，在上面形成一凸面，然后盖上玻璃片和套盖，玻璃片紧贴于旋光管，此时管内不应该有气泡存在。但必须注意旋紧套盖时，一手握住管上的金属鼓轮，另一手旋套盖，不能用力过猛，以免玻璃片压碎。然后用吸滤纸将管外的水擦干，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦净，放入旋光仪的光路中。打开光源，调节目镜聚焦，使视野清晰，再旋转检偏镜至能观察到三分视野暗度相等为止。记下检偏镜的旋光度α，重复测量数次，取其平均值。此平均值即为零点，用来校正仪器系统误差。3、反应过程的旋光度的测定将恒温水浴和恒温箱都调节到所需的反应温度（如15℃、25℃、30℃或35℃）。在锥形瓶内。用移液管吸取蔗糖溶液25ml，注入预先清洁干燥的50mL试管内并加盖；同法，用另一支移液管吸取蔗糖溶液25mL的HCl溶液，置于另一支50mL试管内加盖。将这两支试管一起置于恒温水浴内恒温10min以上，然后将两支试管取出，擦干管外壁的水珠，把盛有HCl溶液的那支试管倒入蔗糖溶液中，同时记下反应开始的时间，迅速进行混合，使之均匀后，立即用少量反应液荡洗旋光管两次，然后将反应液装满旋光管，旋上套盖，放进已预先恒温的旋光仪内，测量各时间的旋光度。第一个数据，要求在离反应起始时间1～2min内进行测定。在反应开始15min内，每5分钟测量一次，共测8个数据。4、α∞的测量反应完毕后，将旋光管内反应液与试管内剩余的反应混合液合并，置于50℃的水浴内温热40min，使其加速反应至完全。然后取出，冷至实验温度下测定旋光度，等大概1～2min，等旋光度变化很小时，记下此时的旋光度，即为α∞值。四、实验数据及处理：1、蔗糖转化反应旋光度的测定结果序号t/minαt(o)α∞(o)αt-α∞(o)ln(αt-α∞)1011.600-3.98515.5852.7462510.230-3.98514.2152.6543109.170-3.98513.1552.5774158.190-3.98512.1752.4995207.275-3.98511.2602.4216256.400-3.98510.3852.3407305.515-3.9859.5002.2518354.640-3.9858.6252.1552、αt-t曲线图3、ln(αt-α∞)-t图由计算机作图线性拟合可得斜率为-0.01653，即测得反应速率常数k=0.01653则反应半衰期t1/2=ln2/k=0.693/k=41.92min五、提问思考1、在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，用蒸馏水来校正旋光仪的零点，试问在蔗糖转化反应过程中所测定的旋光度αt是否必须要进行零点校正？答：不需要零点校正。因为数据处理要求ln(α0-α∞)对t作图，若αt和α∞对零点都有一个偏差，αt-α∞可以抵消。2、配制蔗糖溶液和盐酸溶液时，是将盐酸加到蔗糖溶液里去，可否将蔗糖溶液加到盐酸溶液中去？为什么？答：不能。本反应中氢离子为催化剂，如果将蔗糖溶液加到盐酸溶液中，在瞬间体系中氢离子浓度较高，导致反应速率过快，不利于测定。