蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定--另一種方法

1、蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）明了旋光度法測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率的原理；（2）測(cè)定蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)；（3）掌握旋光儀的使用方法；（4）掌握用圖解法求反應(yīng)速率常數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理蔗糖溶液在H+離子存在時(shí)，按下式進(jìn)行水解：C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖 果糖時(shí)間t=0 c0 0 0t=t c0-cx cx cxt= 0 c0 c0其中，c0為反應(yīng)物初始濃度，cx為反應(yīng)進(jìn)行至t時(shí)間的產(chǎn)物濃度，c0-cx為反應(yīng)進(jìn)行t時(shí)間后反應(yīng)物的濃度。此反應(yīng)中H+離子為催化劑。當(dāng)H+離子濃度一定時(shí)，此反應(yīng)在某時(shí)間t的反應(yīng)速率與蔗糖及水濃度一次方的乘積成正比，故為二級(jí)

2、反應(yīng)。由于在反應(yīng)過(guò)程中水是大大過(guò)量，故認(rèn)為水的濃度在反應(yīng)過(guò)程中不變，這樣蔗糖水解反應(yīng)就可以作為一級(jí)反應(yīng)處理，起速率方程的積分式為： （1）式中，c0為反應(yīng)開(kāi)始時(shí)蔗糖的濃度；c0-cx為反應(yīng)至?xí)r間t時(shí)蔗糖的濃度；k為速率常數(shù)。若測(cè)得在反應(yīng)過(guò)程中不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的蔗糖濃度，代入上式就可以求出此反應(yīng)的速率常數(shù)k。而測(cè)定各時(shí)間所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)物濃度的方法有化學(xué)方法與物理方法兩種?；瘜W(xué)方法是在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)進(jìn)行若干時(shí)間，取出一部分反應(yīng)混合物，并讓其迅速停止反應(yīng)，記錄時(shí)間，然后分析與此時(shí)間相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)物濃度。但是要時(shí)反應(yīng)迅速停止在實(shí)驗(yàn)上是很困難的，因而所分析的濃度總與取樣的時(shí)間存在偏差，所以此方法是不夠準(zhǔn)確的；而

3、物理方法則是利用反應(yīng)系統(tǒng)中某一物理性質(zhì)（如電導(dǎo)率、折射率、旋光度、吸收光譜、體積、氣壓等）與反應(yīng)物的濃度有直接關(guān)系時(shí)，通過(guò)測(cè)量該物理性質(zhì)的變化就可相應(yīng)知道反應(yīng)物濃度的改變。不過(guò)對(duì)物理性質(zhì)有以下要求：（1）物理性質(zhì)和反應(yīng)物的濃度要有簡(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)系統(tǒng)的物理性質(zhì)要有明顯的變化；（3）不能有干擾因素。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要從反應(yīng)物系中取出樣品，可直接測(cè)定，而且可連續(xù)地進(jìn)行分析，方便迅速，還可將物理性質(zhì)變成電信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)記錄等。但應(yīng)用此法時(shí)要注意：如果反應(yīng)系統(tǒng)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。對(duì)于蔗糖水解成葡萄糖與果糖實(shí)驗(yàn)，

4、因反應(yīng)物與生成物均具有旋光性，且旋光能力相差較大，故可用系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程中旋光度的變化來(lái)度量反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物濃度的變化。旋光度與濃度有如下的關(guān)系：當(dāng)偏振光通過(guò)一旋光物質(zhì)溶液時(shí)，偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)一角度，稱(chēng)為旋光角。此角度的大小與偏振光所通過(guò)的溶液濃度及液層厚度成正比。即 （2）式中，c為溶液濃度；l為液層厚度。式（-2）也可寫(xiě)成 (3稱(chēng)為旋光物質(zhì)的比旋光度，其意義為：當(dāng)1mL旋光物質(zhì)溶液中含1g旋光物質(zhì)，而且液層厚度為1dm時(shí)該旋光物質(zhì)引起的旋光角。由于為光波波長(zhǎng)、溫度的函數(shù)，一般規(guī)定光波波長(zhǎng)為鈉黃光（波長(zhǎng)589.3nm）及溫度在20，故寫(xiě)成。而且在稀溶液范圍內(nèi)，對(duì)兩種或兩種旋光物質(zhì)的混合液其旋光

5、角等于各旋光物質(zhì)引起的旋光角的代數(shù)和。根據(jù)上面所指出的，蔗糖水解反應(yīng)在水過(guò)量存在的條件下表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)，即當(dāng)t=0時(shí)，此時(shí)溶液中只有蔗糖，測(cè)得旋光角為0。而且液層厚度一定時(shí)，則0可以反映蔗糖的起始濃度c0（蒸餾水旋光角為零），即 (4當(dāng)t=t時(shí)，測(cè)得溶液的旋光角為t，此時(shí)的t應(yīng)為蔗糖、葡萄糖、果糖三者貢獻(xiàn)之和。即 (5當(dāng)t=時(shí)，表示蔗糖完全水解，溶液中只有果糖與葡萄糖，此時(shí)測(cè)得的旋光角為。它應(yīng)是果糖和葡萄糖貢獻(xiàn)之和，即 （6）聯(lián)立（-4） 、（-5）和（-6）得： （7） （8）將式（7）與式（8）代入（1）中，整理得 （9）從式（9）可知，若以對(duì)t作圖為一直線，蔗糖水解反應(yīng)的k可以從直線斜率

6、求出。通常有兩種方法測(cè)定，一種是將反應(yīng)液放置48h以上，讓其反應(yīng)完全后測(cè)；一種是將反應(yīng)液在50-60水浴中加熱半小時(shí)以上，在冷卻到實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)。兩種方法各有缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用Guggenheim法處理數(shù)據(jù)，可不測(cè)，保持不變，以對(duì)t作圖所得直線的斜率可求得k?？蛇x為半衰期的2-3倍，或反應(yīng)接近完成的時(shí)間一半，本實(shí)驗(yàn)可選為30min，每隔5min取一次讀數(shù)。蔗糖、葡萄糖都是右旋性的旋光物質(zhì)，右旋的旋光角用正號(hào)表示。蔗糖的=+66.55°；葡萄糖的=+52.5°。而果糖是左旋性的，左旋性的旋光角則用負(fù)號(hào)表示：果糖的=-91.9°。從值可看出，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)是右旋的旋光角，但隨著

7、反應(yīng)的進(jìn)行，蔗糖轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖，則右旋旋光角隨之不斷減小。當(dāng)反應(yīng)完畢后，溶液的旋光角變?yōu)樽笮男饨?。儀器和藥品儀器：旋光儀一架、停表一只、100mL燒杯一個(gè)、25mL移液管兩支、恒溫槽一套，玻棒1支，蒸餾水瓶藥品：HCl溶液（2mol·L-1）、蔗糖、蒸餾水。實(shí)驗(yàn)步驟（1）旋光儀的使用及零點(diǎn)的矯正。將旋光儀用的鈉光燈與鎮(zhèn)流器接通，連接并將鎮(zhèn)流器與電源接通。同時(shí)將清洗干凈的旋光管一端打開(kāi)并注入蒸餾水，直至蒸餾水高出管口邊緣（注意檢查旋光管是否漏水或有無(wú)氣泡）。即形成一凸液面后，將玻璃蓋片從管口邊緣推入（不是蓋上，為什么？），在玻璃片上放上橡皮圈，再適當(dāng)擰緊旋光管（不可用力過(guò)大?。?/p>

8、，將旋光管外部擦干后放入旋光儀中。測(cè)量時(shí)首先調(diào)節(jié)目鏡使視野邊界呈清晰的圓光點(diǎn)，然后慢慢旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，直到視場(chǎng)中能觀察到明暗相等的三分視野為止，記下刻度盤(pán)讀數(shù)。重復(fù)操作數(shù)次，取其平均值，此即旋光儀的零點(diǎn)。測(cè)后取出旋光管，倒出蒸餾水，用濾紙擦干備用。（2）稱(chēng)取蔗糖5g置于燒杯，移液管移取25mL蒸餾水置于燒杯將蔗糖完全溶解，用移液管移取濃度為2mol·L-1 HCl溶液25mL加到盛有蔗糖溶液的燒杯中，當(dāng)HCl溶液全部加入時(shí)開(kāi)動(dòng)停表作為反應(yīng)的開(kāi)始時(shí)間，并小心地?fù)u動(dòng)均勻。（3）用少量的混合液刷洗擦干的旋光管二次后，將混合液倒?jié)M旋光管，推好玻璃片，旋緊套蓋（檢查是否漏液，有無(wú)氣泡），擦凈旋光管

9、兩端玻璃片及外部，于旋光儀中測(cè)反應(yīng)在5min時(shí)的旋光角，測(cè)試完畢將旋光管至于25的恒溫水浴鍋中。（4）此后依次讀取在第10、15、20、2550min時(shí)相應(yīng)的旋光角t。（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將恒溫水浴調(diào)至30，重復(fù)（2）-（4）（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，立即用自來(lái)水將旋光管洗凈擦干，防止酸腐蝕旋光管。數(shù)據(jù)記錄和處理實(shí)驗(yàn)溫度t= 反應(yīng)時(shí)間t/mint(t+mint+5301035154020452550用對(duì)t作圖，由所得直線斜率求出反應(yīng)速率常數(shù)k思考題：（1）蔗糖水解速率與哪些因素有關(guān)？（2）試驗(yàn)中在將酸和糖溶液混合時(shí)，反應(yīng)立即開(kāi)始，而測(cè)定旋光角只能在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，如何求得開(kāi)始的旋光角（即0）？（3）反應(yīng)溶液中酸溶度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)有無(wú)影響？（4）在測(cè)定也得時(shí)將溶液在50下加熱30min，其目的是什么？（5）用物理方法測(cè)量反應(yīng)速率有何優(yōu)點(diǎn)？采用物理方法