實驗七--旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數(shù)(新)

1、旋光法測定蔗糖轉化反應的活化能一、實驗目的1 .了解蔗糖轉化反應體系中各物質濃度與旋光度之間的關系。2 .測定蔗糖轉化反應的速率常數(shù)和半衰期。3 . 了解旋光儀的基本原理，掌握其使用方法?；驹碚崽窃谒修D化成葡萄糖和果糖，其反應為：Cl2H22O11+H2O C6H12O6+C6H12O6（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）它是一個二級反應， 在純水中此反應的速率很慢，通常需要在H+離子催化作用下進行。由于反應時水是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應，仍可近似地認為整個反應中水的濃度是恒定的；而且H+是催化劑，其濃度也保持不變。因此蔗糖轉化反應可看作是準一級反應。一級反應的速率方程可由下式表示：

2、dCAdt=kCAca為時間t時反應物的濃度，k為反應速率常數(shù)。 積分可得：(2)ln cAkt ln cA 0式中，Ca,o為反應物的初始濃度。當Ca=1/2Ca,o時，t可用t1/2表示，即為反應的半衰期。由（2）式可得:(3)從上式可以看出，在不同時間測定反應物的相應濃度，并以lnct作圖，可得一條直線， 由直線的斜率可求得反應速率常數(shù)k ， 由于反應是不斷進行的，要快速分析出反應物的濃度是很困難的。但蔗糖及其轉化產物都具有旋光性，而且它們的旋光能力不同，故可利用體系在反應進程中旋光度的變化來度量反應的進程。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質的旋光能力、溶劑性質、溶液濃度、樣品管的長度及溫

3、度均有關系。當其它條件均固定時，旋光度”與反應物濃度c呈線性關系，即a=/(4)式中比例常數(shù)與物質旋光能力、溶劑性質、樣品管長度、溫度等有關。作為反應物的蔗糖是右旋性物質，其比旋光度a =66.6o生成物中葡萄糖也是右旋光性物質，其比旋光度a =52.50但果糖是左旋性物質，其比旋光度a =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質。因此隨著反應的進行，體系的右旋角不斷減小，反應至某一瞬間，體系的旋光度可恰好等于零，而后就變成左旋，直至完全轉化，這時左旋角達到最大值次。旋光度與濃度成正比，并且溶液的旋光度為各組成的旋光度之和。若反應時間為 0, t, J時溶液的旋

4、光度分別用00, at,旋光度與濃度成正比，并且溶液的旋光度為各組成的旋光度之和。若反應時間為0, t, ex時溶液的旋光度分別用oo,t ， 表示。«t= 3蔗c+(3葡+3果)(co- c)(5)oe=( 3葡+ 3 果)co(6)由以上三式可得co = ( co-aeo) 3蔗-(3葡+ 3 果) -1(7)c= ( Ot-H 3蔗-(3葡+3 果) -1(8)將式 (7)、 (8)代入式(2)并整理得經聯(lián)立方程可推導出：ln( t ) kt ln( °)顯然，以ln( t)對t作圖可得一直線，直線斜率即為-k。三、儀器、試劑移液管(25ml ) 蔗糖(分析純)HCl

5、 (4.00N)燒杯(50ml)WZZ-3型自動旋光儀 恒溫水浴 容量并5 5 50ml) 錐形并1 1 150ml)四、實驗步驟1 .自動旋光儀的使用a)將儀器電源插頭插入 220V交流電源，打開儀器右側的電源開關，這時鈉光燈應啟輝，需經 5分鐘鈉光._燈才發(fā)光穩(wěn)定。b)將儀器右側的光源開關向上扳到支流位置,直流燈點亮后按“回車”鍵這時液晶顯示屏即有MODE L C n選項顯示(MODE為模式，C為濃度，L為旋光管長度dm,n 為測試次數(shù)；默認值：MODE: 1; L: 2.0; C: 0; n： 1)。c) MODE1即為旋光度測試，所以在測試中無需改變參數(shù)的設置。MODE2 :比旋度；M

6、ODE3 :濃度；MODE4 :糖度；2 .旋光儀的零點校正蒸儲水為非旋光性物質， 可以用來校正旋光儀的零點。校正時，先洗凈樣品管，再 向管內灌滿蒸儲水， 在上面形成一凸面，然后蓋上玻璃片和套蓋， 此時管內不應有氣泡 存在；如果旋光管中有氣泡，應先讓氣泡浮在凸頸處；通光面兩端的霧狀水滴，應用濾 紙擦干；旋光管螺帽不宜旋的過緊，以免產生應力，影響讀數(shù)；旋光管安放時應注意標記的位置和方向。 將旋光管放放入旋光儀的光路中，蓋上箱蓋，此時旋光儀自動開始測量，待讀數(shù)穩(wěn)定后，按“清零”鍵，液晶屏上會顯示0讀數(shù)。3 .反應過程的旋光度的測定稱取10g蔗糖，在錐形瓶內加入 50ml蒸儲水溶解，溶解完全后，用移

7、液管吸取25ml蔗糖溶液注入預先清潔干燥的錐形瓶中；用另一支移液管吸取25ml4.00N的HCl溶液加入25ml的蔗糖溶液中，同時記下反應開始的時間，迅速混合均勻后，用少量反應液 潤洗旋光管兩次，然后將反應液裝滿旋光管，旋上套蓋，放入自動旋光儀中， 蓋好箱蓋。儀器將自動顯示該樣品的旋光度。第一個數(shù)據(jù)在3分鐘時測量，前15分鐘內每分鐘測量一次，以后由于反應物的濃度降低， 使反應速率變慢，可以每次間隔5分鐘測量一次， 一直測量到旋光度為負值為止。4. 的測量：通常有兩種方法測定是將剩余的25ml蔗糖溶液中加入25ml4.00mol/L的HCl溶液，放入60c恒溫水浴中溫熱30分鐘以上，使水解完全。

8、然后取出，冷至室溫下測量旋光度，在10分鐘內讀取5個數(shù)據(jù)，取其平均值，即為 。一是將反應 而后一種方法時間太長。在上述操作過程中，因為加熱，常導致反應體系中算河水的揮發(fā),放置48小時以上，讓其反應完全后測;一種方法容易產生副反應，使溶液顏色變黃。影響反應物質的濃度和反映進程，而且蔗糖在此實驗條件下是否完全轉化為產物，也不容易確定。因此可以采用 Guggenheim 法處理數(shù)據(jù)(見問題討論部分)，這樣可以不必測。本實驗采用第一種方法。實驗完畢，洗凈量筒和錐形瓶，放入烘箱中干燥。洗凈樣品管，注入蒸儲水，放入旋光儀。五、數(shù)據(jù)記錄和處理1、t=t/mint/(° )一tln ( t)t /m

9、int/( ° )t一ln ( t)31441552062573083594010451150125513602、以ln ( t-)對t作圖，從所得直線斜率求k。3、計算蔗糖轉化反應的半衰期ti/2。六、注意事項1 .裝樣品時，旋光管管蓋旋至不漏液體即可，不要用力過猛，以免壓碎玻璃片。2 .在測定時，通過加熱使反應速度加快轉化完全。但加熱溫度不要超過60Co3 .由于酸對儀器有腐蝕，操作時應特別注意，避免酸液滴漏到儀器上。實驗結束后必須將旋 光管洗凈。4 .旋光儀中的鈉光燈不宜長時間開啟，測量間隔較長時應熄滅，以免損壞。七、問題討論1.實驗關鍵點溫度對實驗數(shù)據(jù)的影響大，要注意整個實驗

10、時間內的恒溫。若無樣品管恒溫夾套，則旋管 光管離開恒溫水浴適應短。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當 H+=1mol L-1、蔗糖溶液的濃度為10%時，k(303.7K)=3.35 x 10-2min-1k(313.2K)=7.92 x 10-2min-1由以上數(shù)據(jù)求得：在 303.7313.2K溫度范圍內，平均活化能Ea471kJ mol-1。由此可見，本實驗的實驗溫度范圍最好控制在288303K內。溫度過高，反應速度太快，讀數(shù)將發(fā)生困難1。HCI溶液的濃度也要配制準確，因為H+對反應速度常數(shù)有影響，影響情況見表 1。若酸濃度不準，盡管數(shù)據(jù)的線性關系較好，但k值偏離文獻數(shù)據(jù)。表1溫度和鹽酸濃度對蔗糖水解速率的

11、影響2（蔗糖溶液濃度均為10%）3Chci /mol dm31k 10 / min298.2K308.2K3182K0.05020.41691.7386.2130.25122.2559.35535.860.41374.04317.0060.620.900011.1646.76148.81.21417.45575.97-E108kJ mol 1有研究報道，在 30c的實驗條件下，HCI濃度在13mol L-1范圍時，蔗糖水解速率常1.623數(shù) k 與H+的關系為：k/min 11.8 10 3 23.70 10 3 H 。實驗在30 C,蔗糖反應液配制：蔗糖（10g） +水（50mL）+ HCI

12、（25 mL , 4mol/L）,已知反應液中H+=1.33 mol/L ,將代入上述計算，得速率常數(shù)值 k=0.0395 min-1。應用本文提出的方 法得到的"0.035985 min-1 和 k2=0.038977 min-1,比常規(guī)方法得到的 =0.05104 min-1 和 k2=0.06092min-1更接近于文獻值3。2 .實驗中，為什么用蒸儲水來校正旋光儀的零點？在蔗糖轉化反應過程中，所測的旋光度是否需要零點校正？為什么？解：一般蒸儲水的旋光度很小或接近零，因此用蒸儲水可以校正儀器。另一方面由于水也有一定的旋光度對于溶液的旋光度有一定的影響，即導致旋光度的偏高，結果反

13、應速率常數(shù)也受到影響，因此進行校正。3 .為什么配制蔗糖溶液可用粗天平稱量？解：對于這個假定分子（二級）反應，由于存在大量水，雖有部分水分子參加反應，但在反應過程中水的濃度變化極小，所以只要蔗糖濃度不太濃，水的濃度變化問題對反應速速率影響不大。盡管蔗糖的轉化速率與蔗糖濃度、酸濃度、溫度及催化劑種類有關，但反應速率常數(shù) k與其中的蔗糖濃度無關，這是可以從公式看出的。4 .蔗糖的轉化速度和哪些因素有關？解：鹽酸的密度稍大于蔗糖，將鹽酸加蔗糖溶液時溶液可以容易混合，否則混合不均勻就影響反應的均勻進行。5.對旋光度不變的某樣品，若用長度為10cm, 20cm旋光管測其旋光度，測量值分別為2,則(A)

14、1 =2 2(B) 2 1= 2(C)(D)1解：6 .測定蔗糖轉化反應的速率常數(shù)可用下列哪一種方法：（A）量氣體體積（B）旋光法（C）電導法 （D）分光光度法解：（B）7 .在測定蔗糖溶液旋光度時，使用的光源是：（A）鈉光燈（B）白軌燈（C）水銀燈 （D）紅外燈解：（A）8 .為什么蔗糖轉化反應可看作是準一級反應？解：蔗糖水解反應動力學早在1850年即為 Wilhelmy所建立，它是化學動力學中最早經過定量研究的一個反應。 不論在實驗原理上還是在實驗測定方法上都具有代表性，因而幾乎被國內所有的物理化學實驗教材所選用。精確的實驗結果表明，蔗糖水解的反應速率為：式中c為蔗糖的濃度，即反應實際上為

15、 8級反應。在本實驗條件下,10克蔗糖溶于50ml水中，其濃度為:342.30g mol33310 dm 0.58mol dm而水的濃度為在反應過程中保持不變，在這種情況下，反>>c應速率可表示為，其中此 ， H2O 的 高 濃 度 和不變是蔗糖水解表現(xiàn)為一級反應的條件，這種一級反應為 準一級反應”(或稱 假一級”反應)。9 .如果沒有 數(shù)據(jù)(或者反應未趨完全)，是否也能求得反應速率常數(shù)?解：可以。把在 t和t +代表一定的時間間隔)測得分別用t和t表不，則有)e kt)ek(t + )(5)(4)式-(5)式t t = ( o取對數(shù)ln( t t )= ln( 0從(6)式可看出，只要)e k t( 1 e k )(1 e k ) k t保持不變，右端第一項為常數(shù),(6)從ln( t t )對t作圖所得直線的斜率即可求得k?？蛇x為半衰期的 23倍，或反應接進完成的時間之半。本實驗可取 =30min,每 隔5min取一次讀數(shù)。1、取 =30min ,每隔5分鐘取一次數(shù)據(jù)，列出記錄表格。t/mint/(° )(t +)/mint/(。)t- tln (t 一t )5351040154520502555306010 .數(shù)據(jù)處