一级反应－蔗糖水解反应速率常数的测定

一级反应－蔗糖水解反应速率常数的测定 1班 倪靖 200892044035 实验九 一级反应,蔗糖水解反应速率常数的测定 一 实验目的 1(测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期; 2(了解反应物浓度与旋光度之间的关系; 3(了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用 二 实验原理 蔗糖在酸性条件下水解反应为: ，H 2HO，,,,,，COCOCOHHH12662212121166 (蔗糖) (葡萄糖) (果糖) + 它是一个二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常需要在H催化作用下进行。由于反应时水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，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示为: dc,,kclnc,,kt，lnco 其积分式: (10-1) dt c及c分别为反应开始时及t时刻的反应物浓度，k为反应速率常数。 0 1,,cc当 时，时间t可用t表示，即为反应半衰期: 01/22 ln20.693,,1t (10-2) 2kk 从(10-1)式不难看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，并以ln c对t作图，可得一直线，由直线斜率即可得反应速率常数k。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度是困难的。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 (10-3) 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。 物质的旋光能力可用“比旋光度”来量度。其定义为: ,tt,,,,,L,c,k,c,,,,,,, (10-4) DDL,c t式中[α]为物质的比旋光度;上标“t”表示实验时溶液的温度，λ是指所用光源的波长，一般Do用钠光的D线，其波长为589 nm;α为测得的旋光度( )，L为样品管长度( dm )，c为旋光物质的质量浓度( g/100mL )。 2020oo,,,,,,蔗糖、果糖、葡萄糖都是旋光性物质，其中蔗糖 = 66.6，葡萄糖= 52.5DD 20o,,,是右旋性物质，果糖= -91.9，是左旋性物质。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右D 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 - 1 - 【物理化学实验】 材料1班 倪靖 200892044035 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 α= βc( t = 0，蔗糖尚未转化 ) (10-5) 反0 0 体系最终的旋光度为 α= βc( t = ?，蔗糖已完全转化 ) (10-6) 生? 0 (10-5) 和 (10-6) 中β和β分别为反应物与生成物的比例常数。 反生 当时间为t时，蔗糖浓度为c，此时旋光度为 α ，即 t α= βc + β(c– c) (10-7 ) 反生t o 由 (10-5 ) 、(10-6 ) 和 (7-7 )联立可解得 c= (α-α) / ( β-β) = β′ (α-α) (10-8 ) 反生0 o?o? c = (α-α) / ( β-β) = β′ (α-α) (10-9 ) 反生t?t? 将 (10-8 ) 和 (10-9 )代入 (10-1) 式即得 ln(,),,k,t，ln(,) (10-10 ) ,,,,t,0, 显然，以ln (α-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。 t? 三、仪器和药品 旋光仪 1台 旋光管 1支 秒表 1个 锥形瓶 2个 天平 1台 烧杯 (100mL) 1个 容量瓶 (100mL) 1个 移液管(25mL) 2支 蔗糖(A.R) HCl(A.R) 四、实验步骤 1(用台称称取10g蔗糖溶于50ml容量瓶中，放置5分钟。 2(旋光仪零点校正: 蒸馏水为非旋光物质，可用它校正仪器的零点。洗净旋光管，注入蒸馏水，旋紧套盖，但不要过紧，以不漏水为准。如果管中有气泡，可将气泡导入旋光管粗肚部分(上翘管部即可)。用滤纸将旋光管外部擦干。旋光管两端的玻璃片，可用镜头纸擦净。 打开旋光仪，将该旋光管放入旋光仪内，盖上盖子，调节(圆盘旋光仪)目镜使视野清晰，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，即为旋光仪的零点。 3(蔗糖水解过程中α的测定: t 用移液管移取25 mL已配好的蔗糖溶液，放入250mL干燥的锥形瓶中;再移取25 mL 2, 33 mol/dm盐酸溶液注入该锥形瓶中与蔗糖溶液反应，以盐酸溶液滴加一半时计时。用少量的混合液润洗旋光管2~3次后，将混合液加入旋光管内，将旋光管外壁和两端的玻璃片擦干后置于旋光仪中，在2分钟之内测出第一个数据。到第5min再读一次，以后每隔5min读一次数，直到读数变化为负值时停止实验。 4(α的测定 ? - 2 - 【物理化学实验报告】 材料1班 倪靖 200892044035 按上述方法另配一份反应液或将(3)剩余的反应液具塞，放置在60?的水浴中温热30min后，取出冷却至室温，测定其旋光度α，重复测定三次，时间至少5min以上。 ? 五、数据处理 1(将实验数据列表，并按式(10-10)计算相应的值; t(min) 0 5 10 15 20 25 30 35 α12.85 11.45 10.35 9.3 8.3 7.35 6.45 5.6 t ln(α-α) 2.815409 2.727853 2.653242 2.576422 2.497329 2.415914 2.332144 2.246015 ?t 40 45 50 55 60 65 70 75 80 4.85 4.15 3.5 2.85 2.2 1.6 1.05 0.55 0.05 2.163323 2.079442 1.9947 1.902108 1.800058 1.695616 1.589235 1.481605 1.360977 2(以ln (α-α) 对t作图，由直线斜率求反应速率常数k并计算反应半衰期t。 t?1/2 ln(αt-α?)-t 3 2.5 y = -0.0178x + 2.8493 2)? -αt1.5 ln(α1 0.5 0 0102030405060708090 t(min) -1 由图得k=0.0178 min ln20.693,,1t=38.9326 min 2kk 3(文献值 改变HCl的浓度，蔗糖转化反应的速率也随之改变。 表10-1 温度与盐酸溶液浓度对蔗糖水解速率常数的影响 - 3 - 【物理化学实验报告】 材料1班 倪靖 200892044035 3-1/min k × 10-3c/ mol?dm HCl 298.2K 308.2K 318.2K 0.0502 0.4169 1.738 6.213 0.2512 2.255 9.355 35.86 0.4137 4.043 17.00 60.62 0.9000 11.16 46.76 148.8 1.214 17.455 75.97 / -1E = 108 kJ?mol 六(评注启示 1(动力学实验总是以最后一种物质加入一半时作为计时的零点。 2(蔗糖在纯水中的水解速率很慢，但在催化剂作用下会迅速加快，其反应速率的大小不仅 +与催化剂的种类有关而且与催化剂的浓度有关。除了可用H作催化剂外，还可采用蔗糖酶催化。 3(注意事项 (1)α测定时要迅速准确，在测定的那一刻，先调好旋光仪，读数可随后。 t (2)因反应已结束，所测的α在一定时间内应该是个不变的值。若有变化，很可能是未冷? 却至室温。 (3)光路中不能有气泡，也不能漏液。 (4)洗净旋光管，防止酸对旋光管和仪器等的腐蚀。 七 思考题 1(本实验是按几级反应处理的?为什么? 答:按一级反应处理。由于反应时水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，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。 2(衡量物质旋光能力的是什么,怎样定义的? 答:物质的旋光能力可用“比旋光度”来量度。其定义为: ,tt,,,,,L,c,k,c,,,,,,,DDL,c 式中[α]tD为物质的比旋光度;上标“t”表示实验 时溶液的温度，λ是指所用光源的波长，一般用钠光的D线，其波长为589 nm;α为测 得的旋光度( o )，L为样品管长度( dm )，c为旋光物质的质量浓度( g/100mL )。 3(蔗糖完全水解之后溶液的旋光值为正还是为负,为什么? 答:蔗糖完全水解之后溶液的旋光值为负。因为蔗糖、果糖、葡萄糖都是旋光性物质，其中 202020,,,,,,,,,DDD蔗糖 = 66.6o，葡萄糖= 52.5o是右旋性物质，果糖= -91.9o，是左旋性物质。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?为负值。 4(本实验若不对旋光仪的零点进行校正，会影响实验结果吗? - 4 - 【物理化学实验报告】 材料1班 倪靖 200892044035 ln(,),,k,t，ln(,)答:根据公式，涉及计算的数据为两值的差值，误差会,,,,t,0, 相抵消，所以不会影响结果。 5(配制蔗糖溶液时称量不够准确，对实验结果是否有影响, 答:不会。蔗糖溶液浓度并不是变量因素。 6(混合蔗糖溶液和HCl溶液时，将HCl溶液加入蔗糖溶液中去，而不把蔗糖溶液加到HCl 溶液中去，为什么, 答:如果把蔗糖溶液加到HCl溶液中去就会在加入时使得H+浓度过大，这样反应会不稳定，使得反应不能按一级反应. - 5 - 【物理化学实验报告】