蔗糖水解反應速度常數(shù)的測定

1、物理化學實驗蔗糖水解反應速度常數(shù)的測定實驗七 蔗糖水解反應速度常數(shù)的測定一、實驗目的 1根據(jù)物質(zhì)的光學性質(zhì)研究蔗糖水解反應，測定其反應速度常數(shù)。2了解旋光儀的基本原理、掌握使用方法。3學習用Origin或Excel處理實驗數(shù)據(jù)。二、實驗原理蔗糖在水中水解成葡萄糖與果糖的反應為：為使水解反應加速，反應常常以H3O+作催化劑，故在酸性介質(zhì)中進行。水解反應中水是大量的，反應達終點時雖有部分水分子參加反應，但與溶質(zhì)濃度相比可認為它的濃度沒有改變，故此反應可視為一級反應，其動力學方程式為： （7-1）或 （7-2）式中：為反應開始時蔗糖的濃度，為時間時蔗糖的濃度。當時，可用表示，即為反應的半衰期。 （7

2、-3）上式說明一級反應的半衰期只決定于反應速度常數(shù)而與反應物起始濃度無關，這是一級反應的一個特點。蔗糖及其水解產(chǎn)物均為旋光物質(zhì)。當反應進行時，如以一束偏振光通過溶液則可觀察到偏振面的轉(zhuǎn)移。蔗糖是右旋的，水解的混合物中有左旋的，所以偏振面將由右邊旋向左邊。偏振面的轉(zhuǎn)移角度稱之為旋光度，以表示。因此可利用體系在反應過程中旋光度的改變來量度反應的進程。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質(zhì)的種類、濃度、液層厚度、光源的波長以及反應時的溫度等因素有關。為了比較各種物質(zhì)的旋光能力引入比旋光度這一概念并以下式表示 （7-4）式中，t為實驗時的溫度；D為所用光源的波長，為旋光度，l為液層厚度（常以10cm為單位）

3、；c為濃度（常用100mL溶液中溶有m克物質(zhì)來表示），式可寫成： 或 （7-5）由（7-5）式可以看出，當其他條件不變時，旋光度與反應物濃度成正比，即 （7-6）式中K是與物質(zhì)的旋光能力、溶液層厚度、溶劑性質(zhì)、光源的波長、反應時的溫度等有關系的常數(shù)。蔗糖是右旋性物質(zhì)（比旋光度，產(chǎn)物中葡萄糖也是右旋性物質(zhì)（比旋光度）果糖是左旋性物質(zhì)（比旋光度），因此當水解反應進行時，右旋角不斷減小，當反應終了時體系變成左旋。因為上述蔗糖水解反應中，反應物與生成物都具有旋光性。旋光度與濃度成正比且溶液的旋光度為各組成旋光度之和（加合性）。若反應時間為0、t、時溶液的旋光度各為，則可導出： （7-7）可改寫為 （7

4、-8）由（7-8）式可以看出如以對t作圖可得一直線，由直線的斜率即可求得反應速度常數(shù)k。本實驗就是用旋光儀測定值、通過作圖由截距可得到。三、儀器和試劑旋光儀1臺；停表1塊；旋光管（帶有恒溫水外套）1支；恒溫槽1套；容量瓶（50mL）1個；電子天平1臺；錐形瓶（100mL）2個；移液管（25mL）2支；燒杯（100mL、500mL）各1個；2HCI溶液；蔗糖（分析純）。四、操作步驟 圖7.1 旋光管1將恒溫槽調(diào)節(jié)到25恒溫，然后將旋光管的外套接上恒溫水，如圖7.l。2旋光儀零點的校正打開旋光儀電源開關，預熱10min。洗凈旋光管各部分零件，將旋光管一端的蓋子旋緊，向管內(nèi)注入蒸餾水，取玻璃蓋片沿管

5、口輕輕推入，蓋好后再旋緊套蓋（操作時不要用力過猛，以免壓碎玻璃片），勿使其漏水或有氣泡產(chǎn)生。用濾紙或干布擦凈旋光管兩端玻璃片，并放入旋光儀中，蓋上槽蓋，調(diào)節(jié)目鏡使視野清晰，然后旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，使在視野中能觀察到明暗相等的三分視野為止（注意：在暗視野下進行測定），記下刻度盤讀數(shù)，重復操作三次，取其平均值此即為旋光儀的零點。測畢取出旋光管，倒出蒸餾水。3蔗糖水解過程中的測定用移液管取25mL蔗糖溶液和25mL2HCI溶液分別注人兩個100mL干燥的錐形瓶中，并將此二錐形瓶同時置于恒溫槽中恒溫1015分鐘。待恒溫后將HCI溶液加到蔗糖溶液的錐形瓶中混合，并在HCI溶液加人一半時開動停表作為反應的開始時刻

6、，不斷振蕩搖動，迅速取少量混合液清洗旋光管二次，然后將此混合液注滿旋光管，蓋好玻璃片旋緊套蓋（檢查是否漏氣和是否有氣泡），擦凈旋光管兩端玻璃片，立刻置于旋光儀中蓋上槽蓋。測量各時間t時溶液的旋光度，測定時要迅速準確。當三分視野暗度調(diào)節(jié)相同后，先記下時間再讀取旋光度數(shù)值?？稍跍y定第一個旋光度數(shù)值之后的5、10、15、20、30、45、65和90min各測一次。4的測定為了得到反應終了時的旋光度，將步驟3中的混合液保留好，48h后重新恒溫觀測其旋光度，此值即為。也可將剩余的混合液置于60左右的水浴中溫熱30min，以加速水解反應，然后冷卻至實驗溫度。按上述操作，測其旋光度，此值即可認為是。需要注意

7、的是測到30min后，每次測量間隔時應將鈉光燈熄滅，以免因長期過熱使用而損壞，但下一次測量之前提前10min打開鈉光燈，使光源穩(wěn)定。另外，實驗結束時應立刻將旋光管洗凈擦干，防止酸對旋光管腐蝕。五、數(shù)據(jù)記錄和處理 將實驗數(shù)據(jù)記錄于表7.1中。表7.1 不同反應時間的旋光度值室溫： ，大氣壓： mmHg實驗溫度： ；鹽酸濃度： ；儀器零點： 反應時間/1以對t作圖，由所得直線之斜率求值。2計算蔗糖水解反應的半衰期。六、實驗注意事項 1蔗糖在配制溶液前，需先經(jīng)100干燥12小時。2在測量蔗糖水解速度前，應熟練的使用旋光儀，以保證在測量時能正確準確的讀數(shù)。3旋光管管蓋旋緊至不漏水即可，太緊容易損壞旋光

8、管。4旋光管管中不能有氣泡存在。5旋光儀的鈉光燈若較長時間不用，應熄滅燈源，以保護鈉光燈。6反應速度與溫度有關，因此在整個測量過程中應保持溫度的恒定。7測量完畢應立即洗凈旋光管，以免酸對旋光管的腐蝕。七、思考題 1為什么可用蒸餾水校正旋光儀的零點？2在旋光度的測量中為什么要對零點進行校正？它對旋光度的精確測量有什么影響？進行校正對本實驗結果是否有影響？3記錄反應開始的時間晚了一些，是否影響k值的測量？為什么？附錄：旋光儀的原理與使用1旋光現(xiàn)象和旋光度一般光源發(fā)出的光，其光波在垂直于傳播方向的一切方向上振動，這種光稱為自然光，或稱非偏振光;而只在一個方向上有振動的光稱為平面偏振光。當一束平面偏振

9、光通過某些物質(zhì)時，其振動方向會發(fā)生改變，此時光的振動面旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為物質(zhì)的旋光現(xiàn)象，這種物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)。旋光物質(zhì)使偏振光振動面旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度。尼柯爾(Nicol)棱鏡就是利用旋光物質(zhì)的旋光性而設計的。圖7.2 尼柯爾棱鏡2旋光儀的構造原理和結構旋光儀的主要元件是兩塊尼柯爾棱鏡。尼柯爾棱鏡是由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面用加拿大樹脂粘合而成，如圖7.2所示。當一束單色光照射到尼柯爾棱鏡時，分解為兩束相互垂直的平面偏振光，一束折射率為1.658的尋常光，一束折射率為1.486的非尋常光，這兩束光線到達加拿大樹脂粘合面時，折射率大的尋常光(加拿大樹脂的折射率為1.550)被全反射到

10、底面上的墨色涂層被吸收，而折射率小的非尋常光則通過棱鏡，這樣就獲得了一束單一的平面偏振光。用于產(chǎn)生平面偏振光的棱鏡稱為起偏鏡，如讓起偏鏡產(chǎn)生的偏振光照射到另一個透射面與起偏鏡透射面平行的尼柯爾棱鏡，則這束平面偏振光也能通過第二個棱鏡，如果第二個棱鏡的透射面與起偏鏡的透射面垂直，則由起偏鏡出來的偏振光完全不能通過第二個棱鏡。如果第二個棱鏡的透射面與起偏鏡的透射面之間的夾角在0°90°之間，則光線部分通過第二個棱鏡，此第二個棱鏡稱為檢偏鏡。通過調(diào)節(jié)檢偏鏡，能使透過的光線強度在最強和零之間變化。如果在起偏鏡與檢偏鏡之間放有旋光性物質(zhì)，則由于物質(zhì)的旋光作用，使來自起偏鏡的光的偏振面

11、改變了某一角度，只有檢偏鏡也旋轉(zhuǎn)同樣的角度，才能補償旋光線改變的角度，使透過的光的強度與原來相同。旋光儀就是根據(jù)這種原理設計的。如圖7.3所示。通過檢偏鏡用肉眼判斷偏振光通過旋光物質(zhì)前后的強度是否相同是十分困難的，這S-鈉光光源，N1-起偏鏡，N2-石英片，P-旋光管，N3-檢偏鏡，A-目鏡視野圖7.3 旋光儀的縱斷面圖樣會產(chǎn)生較大的誤差，為此設計了一種在視野中分出三分視界的裝置，原理是：在起偏鏡后放置一塊狹長的石英片，由起偏鏡透過來的偏振光通過石英片時，由于石英片的旋光性，使偏振旋轉(zhuǎn)了一個角度，通過鏡前觀察。圖7.4 三分視野示意圖A是通過起偏鏡的偏振光的振動方向，A是又通過石英片旋轉(zhuǎn)一個角

12、度后的振動方向，此兩偏振方向的夾角稱為半暗角(=2°3°)，如果旋轉(zhuǎn)檢偏鏡使透射光的偏振面與A 平行時，在視野中將觀察到中間狹長部分較明亮，而兩旁較暗，這是由于兩旁的偏振光不經(jīng)過石英片，如圖7.4(b)所示。如果檢偏鏡的偏振面與起偏鏡的偏振面平行(即在A的方向時)，在視野中將是中間狹長部分較暗而兩旁較亮，如圖7.4(a)。當檢偏鏡的偏振面處于/2時，兩旁直接來自起偏鏡的光偏振面被檢偏鏡旋轉(zhuǎn)了/2，而中間被石英片轉(zhuǎn)過角度的偏振面對被檢偏鏡旋轉(zhuǎn)角度/2，這樣中間和兩邊的光偏振面都被旋轉(zhuǎn)了/2，故視野呈微暗狀態(tài)，且三分視野內(nèi)的暗度是相同的，如圖7.4(c)，將這一位置作為儀器的零

13、點（暗視場），在每次測定時，調(diào)節(jié)檢偏鏡使三分視界的暗度相同，然后讀數(shù)。3影響旋光度的因素(1)溶劑的影響旋光物質(zhì)的旋光度主要取決于物質(zhì)本身的結構。另外，還與光線透過物質(zhì)的厚度，測量時所用光的波長和溫度有關。如果被測物質(zhì)是溶液，影響因素還包括物質(zhì)的濃度，溶劑也有一定的影響。因此旋光物質(zhì)的旋光度，在不同的條件下，測定結果通常不一樣。因此一般用比旋光度作為量度物質(zhì)旋光能力的標準，其定義式為：式中D表示光源，通常為鈉光D線（），t為實驗溫度，為旋光度，l為液層厚度，單位為分米，c為被測物質(zhì)的濃度(以每100mL溶液中含有樣品的克數(shù)表示)，在測定比旋光度值時，應說明使用什么溶劑，如不說明一般指水為溶劑。

14、(2)溫度的影響溫度升高會使旋光管膨脹而長度加長，從而導致待測液體的密度降低。另外，溫度變化還會使待測物質(zhì)分子間發(fā)生締合或離解，使旋光度發(fā)生改變。通常溫度對旋光度的影響，可用下式表示：式中t為測定時溫度，Z為溫度系數(shù)。不同物質(zhì)的Z值不同，一般在之間。為此在實驗測定時必須恒溫，旋光管上裝有恒溫夾套，與超級恒溫槽連接。(3)濃度和旋光管長度對比旋光度的影響在一定的實驗條件下，常將旋光物質(zhì)的旋光度與濃度視為成正比，因為將比旋光度作為常數(shù)。而旋光度和溶液濃度之間并不是嚴格地呈線性關系，因此嚴格講比旋光度并非常數(shù)，在精密的測定中比旋光度和濃度間的關系可用下面的三個方程之一表示：式中q為溶液的百分濃度；A、B、C為常數(shù)，可以通過不同濃度的幾次測量來確定。旋光度與旋光管的長度成正比。旋光管通常有10cm、20cm、22cm三種規(guī)格，經(jīng)常使用的有10cm長度的。但對旋光能力較弱或者較稀的溶液，為提高準確度，降低讀數(shù)的相對誤差，需用20cm或22cm長度的旋光管。4旋光儀的使用方法接通電源（220V），打開鈉光燈，稍等幾分鐘，待光源穩(wěn)定后，從目鏡中觀察視野，如不清楚可調(diào)節(jié)目鏡焦距。選用合適的樣品管并洗凈，充滿蒸餾