蔗糖水解反应的测定__勇

宁 波 工 程 学 院 物理化学实验 专业班级 化工084班 姓名 占叶勇 序号 08402010433 同组姓名 杨晓青等 指导老师 付志强 实验日期 2010.5. 21 实验名称 实验八 蔗糖水解反应速率常数的测定 一、实验目的 1、​ 了解蔗糖水解反应体系中各物质浓度与旋光度之间的关系。 2、​ 测定蔗糖水解反应的速率常数和半衰期。 3、​ 了解旋光仪的基本原理，并掌握其正确的操作技术。 二、实验原理 蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为： C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 (蔗糖) (葡萄糖) (果糖) 它属于二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常需要在H+离子催化作用下进行。由于反应时水大量存在，尽管有部分水分子参与反应，仍可近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，而且H+是催化剂,其浓度也保持不变。因此蔗糖转化反应可看作为一级反应。 一级反应的速率方程可由下式表示： — 式中c为时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。 积分可得： Inc=－kt + Inc0 c0为反应开始时反应物浓度。 一级反应的半衰期为： t1/2= 从上式中我们不难看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，是可以求出反应速率常数k的。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度是困难的。但是，蔗糖及其转化产物，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进程。 测量物质旋光度所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力，溶剂性质，溶液浓度，样品管长度及温度等均有关系。当其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度c呈线性关系，即 α=Kc 式中比例常数K与物质旋光能力，溶剂性质，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： 式中“20”表示实验时温度为20℃，D是指用纳灯光源D线的波长（即589毫微米），α为测得的旋光度，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 =66.6°；生成物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度 =52.5°，但果糖是左旋性物质，其比旋光度 =－91.9°。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈左旋性质。因此随着反应的进行，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∞。 设最初系统的旋光度为 α0=K反cA,0 （t=0，蔗糖尚未水解） （1） 最终系统的旋光度为 α∞=K生cA,0 （t=∞，蔗糖已完全水解） （2） 当时间为t时，蔗糖浓度为cA，此时旋光度为αt αt= K反cA+ K生(cA,0－cA) (3） 联立（1）、（2）、(3)式可得： cA,0= =K′（α0－α∞） (4) cA= = K′（αt－α∞） (5) 将（4）、（5）两式代入速率方程即得： ln(αt－α∞)=－kt+ln（α0－α∞） 我们以In(αt－α∞)对t作图可得一直线，从直线的斜率可求得反应速率常数k，进一步也可求算出t1/2。 三、仪器与试剂 1、仪器：旋光仪、秒表、恒温水浴一套、移液管（50ml）、磨口锥形瓶（100ml）、烧杯（100ml）、台秤、洗耳球。 2、药品：蔗糖（AR）、盐酸（3mol/L，AR）。 四、旋光仪原理 光路：起偏镜——石英条——样品管——检偏镜——刻度盘——望远镜——人眼 从钠灯光源发出的光线通过（聚光镜、滤色镜、经检偏镜）起偏镜成为平面偏振光，在半波片处产生三分视场。如图所示： 大于或小于零视场 零视场 大于或小于零视场 当视场中三部分暗度一致时（如零视场图），对应仪器零点，当然，有时仪器存在系统误差，需要进行零点校正。当放入待测溶液的试管后，由于溶液的旋光性，使平面偏振光旋转了一个角度，零度视场发生了变化，三分视场的暗不再一致。此时转动检偏镜一定角度，能再次出现暗度一致的视场。检偏镜由第一次黑暗到第二次黑暗的角度差即为被测物质的旋光度。 五、实验步骤 （一）旋光仪的校正 1、了解旋光仪的构造、原理，掌握其使用方法（见附录）。 2、用蒸馏水校正仪器的零点：蒸馏水为非旋光性物质，可用来校正仪器的零点（即α=0时，仪器对应的刻度）。洗净样品管，将样品管一端盖子打开，转入去离子水，使液体成一突出液面，然后盖上玻璃片，此时管内不应有空气泡存在，再旋上套盖，使玻璃片紧贴旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时，不能用力过猛，以免压碎玻璃片，用滤纸擦干样品管，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。放入旋光仪，打开电源，预热5-10min，钠灯发光正常。调目镜聚焦，使视野清晰；调检偏镜至三分视野暗度相等为止，游标（右边）刻度为检偏镜旋角，记录仪器零点。读数注意0度以下的实际旋光度（读数-180）。读数三次取平均值，即为零点，用来校正仪器的系统误差。 （二）测定 1、 蔗糖水解反应及反应过程旋光度的测定：取10克蔗糖放在锥形瓶中，用量筒加50ml去离子水倒入使其融解。 2、用50ml移液管移取50mlHCL溶液放入蔗糖水溶液，边放边振荡，当HCL溶液放出一半时按下秒表开始计时（注意：秒表一经启动，勿停直至实验完毕）。迅速用反应混合液将样品管洗涤三次后，将反应混合液装满样品管，擦净后放入旋光仪，测定规定时间的旋光度。测得第一个数据时间应该为反应开始的前三分钟内。测量时先将三分视场调节到全暗，再记录时间（注意时间要记录准确，以实际反应时间为准），后读数。分别记录5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min的旋光度。 3、α∞的测量：测定过程中，可将剩余的反应混合物放入60℃恒温槽中加热30min，使反应充分后，冷却至室温后测定体系的旋光度，连续读数三次平均值。 由于反应液的酸度很大，因此样品管一定要擦干净后才能放入旋光仪内，以免酸液腐蚀旋光仪，实验结束后必须洗净样品管。 六、实验数据记录和处理 实验温度：27.7℃ HCl浓度：3mol/L 零度：0.00 α∞：-2.450 反应时间t/min αt αt－α∞ ln(αt－α∞) k1 5 6.622 9.072 2.205 0.04406min-1 10 5.065 7.515 2.017 15 3.696 6.146 1.816 20 2.505 4.955 1.600 25 1.473 3.923 1.367 30 0.653 3.103 1.132 40 -0.516 1.934 0.660 50 -1.213 1.237 0.213 60 -1.592 0.858 -0.153 由图可得：-k1=-0.04406 所以k1=0.04406 则可以计算得t1/2 = ln2/ k1=0.693/ k1=0.69315/0.04406=15.732min 七、实验结果与讨论 本实验是测定蔗糖水解反应速率常数，实验过程中应该注意： 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℃。 大约60min后基本分解完全。 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。 八、思考题： 1. 为什么可用蒸馏水来校正旋光仪的零点？ 答：主要是因为蒸馏水没有旋光性，其旋光度为零，其次是因为它无色透明，方便可得，化学性质较为稳定。 2. 在旋光度的测量中为什么要对零点进行校正？它对旋光度的精确测量有什么影响？在本实验中若不进行校正对结果是否有影响？ 答：旋光仪由于长时间使用，精度和灵敏度变差，故需要对零点进行校正。若不校正会使测量值的精确度变差，甚至产生较大的误差。本实验数据处理时，用旋光度的差值进行作图和计算，仪器精度误差可以抵消不计，故若不进行零点较正，对结果影响不大。 3. 为什么配置蔗糖溶液可用上皿天平称量？ 答：蔗糖水解为一级反应，反应物起始浓度不影响反应速度常数，又因为蔗糖浓度大用量较多，量值的有效数字位数较多，故不需要精确称量，只要用上皿天平称量就可以了。