旋光物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)

1、實(shí)驗(yàn)七 旋光物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)Gfanqi PB142070*中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 摘要：本實(shí)驗(yàn)利用相應(yīng)物質(zhì)的旋光度與濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)反應(yīng)過(guò)程中體系的的旋光度隨時(shí)間的變化情況，進(jìn)而推測(cè)出一個(gè)反應(yīng)的速率常數(shù)、半衰期、表觀活化能等相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中所研究的反應(yīng)是蔗糖的水解反應(yīng)。通過(guò)控制溫度、反應(yīng)物濃度、催化劑濃度等因素來(lái)了解不同條件下反應(yīng)情況的不同。關(guān)鍵詞：速率常數(shù)、半衰期、旋光性、表觀活化能、蔗糖的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)部分：一、 前言 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中有兩個(gè)非常重要的量，速率常數(shù)和半衰期。反應(yīng)速率是化學(xué)反應(yīng)快慢程度的量度，廣義地講是參與反應(yīng)的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間的變

2、化量的絕對(duì)值。半衰期是反應(yīng)中的反應(yīng)物消耗掉 50% 所需的時(shí)間；速率常數(shù)則為反應(yīng)反應(yīng)速率方程中的常數(shù)，用k表示。 本實(shí)驗(yàn)中，我們利用蔗糖的水解來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。蔗糖水解反應(yīng)可以視為一級(jí)反應(yīng)。由于旋光性與反應(yīng)物質(zhì)的濃度要有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，并且在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)體系的旋光性要有明顯的變化，且旋光性易于測(cè)量，因而測(cè)定反應(yīng)進(jìn)程中某一時(shí)刻反應(yīng)物或產(chǎn)物的濃度 在本實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)反應(yīng)物與生成物均含有不對(duì)稱(chēng)碳原子，它們都具有旋光性，但旋光能力不同這一特點(diǎn)，可用體系反應(yīng)過(guò)程旋光度的變化來(lái)量度反應(yīng)的進(jìn)程。二、 儀器與試劑旋光儀 1臺(tái) 超級(jí)恒溫水浴 1臺(tái)150mL錐形瓶 6個(gè) 25mL移液管 5只50mL移液管

3、（公用） 100ml 容量瓶（公用） 1只100ml量筒（公用） 1只 500ml廣口瓶（公用） 3只分析純蔗糖溶液（公用。40g蔗糖溶于400mL水中；20g蔗糖溶于400mL水中） 4mol·dm-3HCl溶液（另外配制2 mol·dm-3HCl溶液100ml）（公用）三、 實(shí)驗(yàn)原理 反應(yīng)速率只與某反應(yīng)物濃度成正比的反應(yīng)稱(chēng)為一級(jí)反應(yīng)，即 8(1)式中：k是反應(yīng)速率常數(shù)，CA是反應(yīng)物的濃度，t是時(shí)間，設(shè)為反應(yīng)物起始濃度，積分可得： 8(2)若以lnCA對(duì)t作圖，可得一直線，其斜率的絕對(duì)值即為反應(yīng)速度常數(shù)k。 反應(yīng)速度還可用半衰期t1/2來(lái)表示。若為在t時(shí)間內(nèi)已經(jīng)起反應(yīng)了的

4、反應(yīng)物濃度，則在時(shí)的反應(yīng)速度為： 積分可得： 8(3) 當(dāng)反應(yīng)物濃度為起始濃度一半時(shí)，即時(shí)所需之時(shí)間，稱(chēng)為半衰期t1/2，顯然， 8(4) 上式說(shuō)明一級(jí)反應(yīng)的半衰期只決定于反應(yīng)速度常數(shù)k，而與起始濃度無(wú)關(guān)。這是一級(jí)反應(yīng)的一個(gè)特點(diǎn)。 本實(shí)驗(yàn)對(duì)蔗糖的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究了解此反應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。蔗糖轉(zhuǎn)化的反應(yīng)方程式為： C12H22O11（蔗糖）H2OC6H12O6（葡萄糖）C6H12O6（果糖） 此反應(yīng)的反應(yīng)速度與蔗糖的濃度、水的濃度以及催化劑H的濃度有關(guān)。在催化劑H+濃度固定的條件下，這個(gè)反應(yīng)本是二級(jí)反應(yīng)，但由于有大量水存在，雖然有部分水分子參加反應(yīng)，但在反應(yīng)過(guò)程中水的濃度變化極小。因此，反應(yīng)速度只與

5、蔗糖濃度成正比。其濃度與時(shí)間的關(guān)系，符合(1)式的條件，所以此反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。若在反應(yīng)過(guò)程中的不同時(shí)間測(cè)得蔗糖的相應(yīng)濃度，代入上式即可求得該反應(yīng)的速度常數(shù)k。測(cè)定反應(yīng)進(jìn)程中某一時(shí)刻反應(yīng)物或產(chǎn)物的濃度有兩種方法：1、 化學(xué)方法是在反應(yīng)過(guò)程中每經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間取出部分反應(yīng)混合物，并用化學(xué)的方法使其反應(yīng)立即停止，記錄時(shí)間，分析此時(shí)反應(yīng)混合物中產(chǎn)物或反應(yīng)物的濃度。這種方法得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確，重復(fù)性較好，但操作的手續(xù)較為繁瑣，有些反應(yīng)讓其中止比較困難。2、 物理方法是利用反應(yīng)體系中反應(yīng)物或產(chǎn)物的某些物理性質(zhì)（例如導(dǎo)電性、旋光性、吸光、體積、壓力、折光等）與物質(zhì)濃度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量這些物理性質(zhì)的變化來(lái)確立物

6、質(zhì)的濃度。用物理方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)要滿足以下條件： 1、物理性質(zhì)與反應(yīng)物質(zhì)的濃度要有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，最好是正比關(guān)系。 2、在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)體系的物理性質(zhì)要有明顯的變化。 3、不能有干擾因素。 4、有較好的測(cè)量?jī)x器設(shè)備。 物理法的優(yōu)點(diǎn)在于不需從反應(yīng)體系中取出樣品，可直接測(cè)定，它不需要停止反應(yīng)而可連續(xù)迅速地進(jìn)行分析，且可將物理性質(zhì)變成電信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)記錄等。但對(duì)于那些反應(yīng)中有副反應(yīng)或少量雜質(zhì)對(duì)所測(cè)量的物理性質(zhì)影響較靈敏時(shí)將會(huì)造成較大的誤差。 本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)反應(yīng)物與生成物均含有不對(duì)稱(chēng)碳原子，它們都具有旋光性，但旋光能力不同這一特點(diǎn)，可用體系反應(yīng)過(guò)程旋光度的變化來(lái)量度反應(yīng)的進(jìn)程。 測(cè)量旋光度所用的儀器稱(chēng)為旋光

7、儀。溶液的旋光度與溶液中所含有旋光物質(zhì)之旋光能力、溶劑的性質(zhì)、溶液的濃度、樣品管長(zhǎng)度、光源波長(zhǎng)及溫度等均有關(guān)系。當(dāng)其它條件固定時(shí)，旋光度a與反應(yīng)物濃度C呈線性關(guān)系，即： a=KC 8(5)式中K與物質(zhì)旋光能力、溶劑性質(zhì)、樣品管長(zhǎng)度、溫度等有關(guān)。 物質(zhì)的旋光能力用比旋光度來(lái)度量。比旋光度可用下式表示： 8(6)式中：t實(shí)驗(yàn)溫度。 D所用光源為鈉燈D線（波長(zhǎng)589nm）。 a測(cè)得的旋光度（°）。 l樣品管的長(zhǎng)度（dm）。 C濃度（克/100mL）。 作為反應(yīng)物的蔗糖是右旋性的物質(zhì)，其比旋光度=66.6°。生成物中，葡萄糖也是右旋性的物質(zhì)，其比旋度=52.5°。但果糖是

8、左旋性物質(zhì)，其比旋度=91.9°。由于生成物中果糖之左旋比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈左旋性質(zhì)。因此，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系的右旋角不斷減小。反應(yīng)至某一瞬間，體系的旋光度可恰好等于零，而后就變成左旋，直至蔗糖完全轉(zhuǎn)化，這時(shí)左旋角達(dá)到最大值a。設(shè)體系最初的旋光度為a0，則 a0=K反（t=0，蔗糖尚未轉(zhuǎn)化） 8(7)最終體系的旋光度為： a¥=K生（t=¥，蔗糖完全轉(zhuǎn)化） 8(8) 式(7)、(8)中，K反和K生分別為反應(yīng)物與生成物之比例常數(shù)。當(dāng)時(shí)間為t時(shí)，蔗糖濃度為CA，此時(shí)旋光度at為： at=K反CAK生(CA) 8(9) 綜合上面幾式可得： 8(10) 8(1

9、1) 代入積分式(2)后，得： 8(12)若以對(duì)t作圖，得一直線，其斜率為k，從而求得反應(yīng)的速度常數(shù)k。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、了解、熟悉旋光儀的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法。（詳見(jiàn)附錄） 2、用蒸餾水校正儀器的零點(diǎn)，蒸餾水為非旋光物質(zhì)，可用以校正儀器的零點(diǎn)（即a=0時(shí)儀器對(duì)應(yīng)的刻度）。校正時(shí)，先冼凈樣品管，將管一端加上蓋子，并向管內(nèi)灌滿蒸餾水，使液體形成一凸出了液面，然后在樣品管上面蓋上玻璃片，此時(shí)管內(nèi)不應(yīng)有氣泡存在，再旋上套蓋，使玻璃片緊貼于旋光管，勿使漏水。但必須注意旋緊套蓋時(shí)不能用力過(guò)猛，以免玻璃片壓碎。用濾紙將樣品管擦干，再用擦鏡紙將樣品管兩端的玻璃片擦干凈。將樣品管放入旋光儀內(nèi)。打開(kāi)光源，調(diào)整目

10、鏡聚焦，使視野清楚。然后旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，直到所觀察到的三分視野暗度相等為止，記下檢偏鏡之旋角，重復(fù)測(cè)量數(shù)次，取其平均值，此均值即為零點(diǎn)，用來(lái)校正儀器的系統(tǒng)誤差。 3、蔗糖轉(zhuǎn)化旋光度的測(cè)定：將超級(jí)恒溫槽調(diào)節(jié)到所需的溫度，在干燥的150mL的錐形瓶中準(zhǔn)確移取25ml蔗糖溶液，在另一試劑瓶中置入一些4 mol·dm-3 HCl，將兩只錐形瓶都放入超級(jí)恒溫水浴的恒溫箱內(nèi)，恒溫至少半小時(shí)，然后準(zhǔn)確移取25mL已恒溫的HCl，注入到已恒溫的25mL蔗糖溶液中，待移液管中的HCl流出一半時(shí)開(kāi)始記時(shí)，將混合的的反應(yīng)物搖勻，迅速用少量反應(yīng)液洗滌樣品管23次，然后將反應(yīng)液裝滿樣品管，蓋好蓋子并擦凈。立即放入

11、旋光儀內(nèi)，測(cè)量各時(shí)間的旋光度。第一個(gè)數(shù)據(jù)要求離開(kāi)始起反應(yīng)的3min內(nèi)記錄，測(cè)量時(shí)將三分視野調(diào)節(jié)暗度相等后，先記錄時(shí)間，再讀取旋光度。為了多讀一些數(shù)據(jù)，反應(yīng)開(kāi)始15min內(nèi)，每分鐘測(cè)量一次，以后由于反應(yīng)物濃度降低，一直測(cè)量到出現(xiàn)旋光度負(fù)值為止。反應(yīng)速度變慢，可以將每次測(cè)量的時(shí)間間隔適當(dāng)放長(zhǎng)。 4、實(shí)驗(yàn)安排如下：第一組第二組第三組第四組T（K)303.15313.15303.15308.15303.2308.15308.15313.15蔗糖濃度5g/100ml5g/100ml10g/100ml10g/100ml5g/100ml5g/100ml5g/100ml5g/100ml鹽酸濃度2mol/L2m

12、ol/L4mol/L4mol/L4mol/L4mol/L2mol/L2mol/L 5、a¥的測(cè)定將剩余的反應(yīng)液放置48 hr后，在相同溫度下測(cè)定溶液的旋光度，即為a¥值，為了縮短時(shí)間，還可將剩余的反應(yīng)液和樣品管中的反應(yīng)液混合置于50°60水浴上溫?zé)?0min，使其加速反應(yīng)至完全，然后冷卻至原來(lái)溫度，再測(cè)此溶液的旋光度，觀察讀數(shù)是否穩(wěn)定，若穩(wěn)定，即為a¥值。注意水浴溫度不可過(guò)高，否則將產(chǎn)生副反應(yīng)，顏色變黃。加熱過(guò)程亦應(yīng)避免溶液蒸發(fā)影響濃度，影響a¥的測(cè)定。 6、a0的測(cè)定（近似） 取25ml蔗糖溶液加入25ml純凈水，混合均勻后測(cè)量旋光度。 由于

13、酸會(huì)腐蝕旋光儀的金屬套，因此實(shí)驗(yàn)一結(jié)束，必須用水將管洗凈。五、 結(jié)果與討論1、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：30以及35下旋光度時(shí)間圖像30以及35下t圖像：2、 不同條件下的結(jié)果。（部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自于同組的其他同學(xué)）由上表可以粗略的得出以下結(jié)論，高HCl濃度可以顯著降低反應(yīng)活化能，同時(shí)由馬凱玥以及李旭文的數(shù)據(jù)可以得出：相同催化劑（HCl）濃度下，反應(yīng)的半衰期隨溫度的升高有顯著的降低，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)顯著升高（由于數(shù)據(jù)量少，無(wú)法準(zhǔn)確確定半衰期以及速率常數(shù)與溫度呈何種關(guān)系）。六、 誤差分析經(jīng)分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：1) 隨機(jī)誤差由于測(cè)量性質(zhì)的限制，所有的結(jié)果只能經(jīng)行單次測(cè)量，以致使所得到的結(jié)果存在較大

14、的偶然誤差2) 系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)用的旋光度測(cè)量?jī)x是用電機(jī)傳動(dòng)來(lái)測(cè)量反應(yīng)體系的旋光度的，然而從儀器檢測(cè)到偏振光沒(méi)有被接收到調(diào)整到接收到需要一定的時(shí)間，由于整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中體系的旋光度是一直在變化的，故儀器 始終出于調(diào)整狀態(tài)，因此我們所讀到的旋光度數(shù)據(jù)與真實(shí)值是有一定偏離的，這個(gè)會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)一定的不確定性。3) 原理上的近似誤差理論上該反應(yīng)為三級(jí)反應(yīng)，是將氫離子作為催化劑并假設(shè)其濃度不發(fā)生變化，并且假設(shè)反應(yīng)物水是過(guò)量的，才將其簡(jiǎn)化為準(zhǔn)一級(jí)的反應(yīng)。而實(shí)際上在管狀容器中氫離子濃度與水相的比重不會(huì)總是完全均勻的，也不會(huì)是一直不變的。這種近似會(huì)帶來(lái)不可避免的理論誤差。另外，實(shí)驗(yàn)中，的值應(yīng)該取反應(yīng)完全的時(shí)候的測(cè)量

15、值，然而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取的是在60下反應(yīng)30min后的值，與實(shí)際所需測(cè)量值有一定差別。關(guān)于活化能的計(jì)算，由于反應(yīng)活化能是會(huì)隨溫度有一定變化的，反而實(shí)際計(jì)算活化能的時(shí)候是默認(rèn)活化能為一定值，這種假設(shè)會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)一定的誤差。4) 數(shù)據(jù)來(lái)源于五個(gè)人，五臺(tái)不同的儀器，以至于不能排除因次原因帶來(lái)的數(shù)據(jù)測(cè)量值得偏差。七、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)本實(shí)驗(yàn)中，旋光度為反應(yīng)濃度顯著的特征物理量，實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量反應(yīng)體系旋光度隨時(shí)間的變化情況，間接的了解了濃度隨時(shí)間的變化情況，從而測(cè)出了化學(xué)反應(yīng)常數(shù)、活化能等重要的物理量，是一種很有用的方法，這種思想在很多類(lèi)實(shí)驗(yàn)中均有體現(xiàn)，類(lèi)似的有通過(guò)電導(dǎo)率時(shí)間關(guān)系推知濃度時(shí)間關(guān)系等等，是一種非常有用的

16、實(shí)驗(yàn)方法。另外感謝老師以及助教的耐心指導(dǎo)！八、 參考資料物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 崔獻(xiàn)英等編著 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社（2000.4）物理化學(xué) 傅獻(xiàn)彩 等編 高等教育出版社（2005.7）附錄：數(shù)據(jù)處理部分1、 實(shí)驗(yàn)條件T=22.3 P=102.48Ba2、 原始數(shù)據(jù)30，100g/L蔗糖溶液，4moldm-3HCl35，100g/L蔗糖溶液，4moldm-3HClt（min）Ln（t-）t（min）Ln（t-）53.8851.71824.451.82063.471.64042.871.52473.081.56252.241.37682.711.48161.6751.22292.371.40071.21.

17、072102.051.31880.80.924111.7651.23990.430.765121.481.153100.130.615131.2551.07911-0.120.470140.980.98112-0.3450.318150.7850.90513-0.550.157160.580.81814-0.670.049170.390.73115-0.845-0.134180.2050.63816-0.98-0.301190.0450.54917-1.089-0.46020-0.070.48118-1.175-0.60721-0.2150.38719-1.245-0.74422-0.3650.27920-1.3-0.86823-0.4850.18421-1.37-1.05024-0.5750.10622-1.425-1.22125-0.6850.00223-1.465-1.36626-0.77-0.08724-1.505-1.53727-0.87-0.202-1.7228-0.945-0.29829-1.01-0.39030-1.085-0.50731-1.135-0.5