蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定

1、實驗 蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定一、實驗?zāi)康?. 測定蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)和半衰期2. 了解該反應(yīng)的反應(yīng)物濃度與旋光度之間的關(guān)系3. 了解旋光儀器儀的基本原理,掌握旋光儀的正確使用方法二、實驗原理蔗糖在水中轉(zhuǎn)化成葡萄糖與果糖，其反應(yīng)為：C12H22O11 + H2OC6H12O6 + C6H12O6(蔗糖) (葡萄糖) (果糖)它屬于二級反應(yīng)，在純水中此反應(yīng)的速率極慢，通常需要在H+離子催化作用下進(jìn)行。由于反應(yīng)時水大量存在，盡管有部分水分子參與反應(yīng)，仍可近似地認(rèn)為整個反應(yīng)過程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(zhuǎn)化反應(yīng)可看作為一級反應(yīng)。一級反應(yīng)的速率方程可由下式表示

2、：式中c為時間t時的反應(yīng)物濃度，k為反應(yīng)速率常數(shù)。積分可得： Inc=kt + Inc0c0為反應(yīng)開始時反應(yīng)物濃度。一級反應(yīng)的半衰期為： t1/2=從上式中我們不難看出，在不同時間測定反應(yīng)物的相應(yīng)濃度，是可以求出反應(yīng)速率常數(shù)k的。然而反應(yīng)是在不斷進(jìn)行的，要快速分析出反應(yīng)物的濃度是困難的。但是，蔗糖及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，都具有旋光性，而且它們的旋光能力不同，故可以利用體系在反應(yīng)進(jìn)程中旋光度的變化來度量反應(yīng)進(jìn)程。測量物質(zhì)旋光度所用的儀器稱為旋光儀。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質(zhì)的旋光能力，溶劑性質(zhì)，溶液濃度，樣品管長度及溫度等均有關(guān)系。當(dāng)其它條件均固定時，旋光度與反應(yīng)物濃度c呈線性關(guān)系，即=Kc式中比例

3、常數(shù)K與物質(zhì)旋光能力，溶劑性質(zhì)，樣品管長度，溫度等有關(guān)。物質(zhì)的旋光能力用比旋光度來度量，比旋光度用下式表示：式中“20”表示實驗時溫度為20，D是指用納燈光源D線的波長（即589毫微米），為測得的旋光度，l為樣品管長度（dm），cA為濃度（g/100mL）。作為反應(yīng)物的蔗糖是右旋性物質(zhì)，其比旋光度=66.6；生成物中葡萄糖也是右旋性物質(zhì)，其比旋光度=52.5，但果糖是左旋性物質(zhì)，其比旋光度=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(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，這時左旋角達(dá)到

4、最大值。設(shè)最初系統(tǒng)的旋光度為 0=K反cA,0 （t=0，蔗糖尚未水解）（1）最終系統(tǒng)的旋光度為 =K生cA,0 （t=，蔗糖已完全水解）（2）當(dāng)時間為t時，蔗糖濃度為cA，此時旋光度為tt= K反cA+ K生(cA,0cA) (3）聯(lián)立（1）、（2）、(3)式可得：cA,0=K（0） (4)cA= K（t） (5)將（4）、（5）兩式代入速率方程即得：In(t)=kt+In（0）我們以In(t)對t作圖可得一直線，從直線的斜率可求得反應(yīng)速率常數(shù)k，進(jìn)一步也可求算出t1/2。三、儀器與試劑旋光儀 一臺 50mL移液管 一支恒溫水槽 一套 150mL錐形瓶 一支秒表 一支 蔗糖 分析純臺秤 一臺

5、 HCL溶液 4mol/L濾紙 擦鏡紙四、旋光儀原理光路：起偏鏡石英條樣品管檢偏鏡刻度盤望遠(yuǎn)鏡人眼從鈉燈光源發(fā)出的光線通過（聚光鏡、濾色鏡、經(jīng)檢偏鏡）起偏鏡成為平面偏振光，在半波片處產(chǎn)生三分視場。如圖所示：大于或小于零視場 零視場 大于或小于零視場當(dāng)視場中三部分暗度一致時（如零視場圖），對應(yīng)儀器零點，當(dāng)然，有時儀器存在系統(tǒng)誤差，需要進(jìn)行零點校正。當(dāng)放入待測溶液的試管后，由于溶液的旋光性，使平面偏振光旋轉(zhuǎn)了一個角度，零度視場發(fā)生了變化，三分視場的暗不再一致。此時轉(zhuǎn)動檢偏鏡一定角度，能再次出現(xiàn)暗度一致的視場。檢偏鏡由第一次黑暗到第二次黑暗的角度差即為被測物質(zhì)的旋光度。五、實驗步驟1了解旋光儀的構(gòu)造

6、、原理，掌握其使用方法。2用蒸餾水校正儀器的零點：蒸餾水為非旋光性物質(zhì)，可用來校正儀器的零點（即=0時，儀器對應(yīng)的刻度）。洗凈樣品管，將樣品管一端蓋子打開，轉(zhuǎn)入去離子水，使液體成一突出液面，然后蓋上玻璃片，此時管內(nèi)不應(yīng)有空氣泡存在，再旋上套蓋，使玻璃片緊貼旋光管，勿使漏水。但必須注意旋緊套蓋時，不能用力過猛，以免壓碎玻璃片，用濾紙擦干樣品管，再用擦鏡紙將樣品管兩端的玻璃片擦干凈。放入旋光儀，打開電源，預(yù)熱5-10min，鈉燈發(fā)光正常。調(diào)目鏡聚焦，使視野清晰；調(diào)檢偏鏡至三分視野暗度相等為止，記錄游標(biāo)（右邊）刻度為檢偏鏡旋角，記錄儀器零點。讀數(shù)注意0度以下的實際旋光度（讀數(shù)-180）。讀數(shù)三次取平

7、均值，即為零點，用來校正儀器的系統(tǒng)誤差。3蔗糖水解反應(yīng)及反應(yīng)過程旋光度的測定：取10克蔗糖放在錐形瓶中，用量筒加50ml去離子水倒入使其融解。用50ml移液管移取25mlHCL溶液放入蔗糖水溶液，邊放邊振蕩，當(dāng)HCL溶液放出一半時按下秒表開始計時（注意：秒表一經(jīng)啟動，勿停直至實驗完畢）。迅速用反應(yīng)混合液將樣品管洗滌三次后，將反應(yīng)混合液裝滿樣品管，擦凈后放入旋光儀，測定規(guī)定時間的旋光度。測得第一個數(shù)據(jù)時間應(yīng)該為反應(yīng)開始的前三分鐘內(nèi)。測量時先將三分視場調(diào)節(jié)到全暗，再記錄時間（注意時間要記錄準(zhǔn)確，以實際反應(yīng)時間為準(zhǔn)），后讀數(shù)。反應(yīng)開始的15 min之內(nèi)，每隔一分鐘讀數(shù)一次，15 min后，由于反應(yīng)物

8、濃度降低反應(yīng)速率變慢，可將每次測量時間間隔適當(dāng)延長，一直測定到旋光度為負(fù)值，并要測量45個負(fù)值為止。4的測量：測定過程中，可將剩余的反應(yīng)混合物放入55恒溫槽中加熱30min，使反應(yīng)充分后，冷卻至室溫后測定體系的旋光度，連續(xù)讀數(shù)三次平均值。由于反應(yīng)液的酸度很大，因此樣品管一定要擦干凈后才能放入旋光儀內(nèi)，以免酸液腐蝕旋光儀，實驗結(jié)束后必須洗凈樣品管。六、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理試劑：蔗糖(分析純)，HCl溶液( 4mol/L)；儀器：WXG-4圓盤旋光儀；實驗溫度：30+0.1；所測物理量：時間t與對應(yīng)的旋光度t；蔗糖反應(yīng)液配制：蔗糖(10g)+水(50mL)+ HCl(25mL, 4mol/L)。表1

9、 蔗糖反應(yīng)液所測時間與旋光度原始數(shù)據(jù)tminttmint測定值=-4.851. 將反應(yīng)過程所測得的旋光度t和時間t列表（上表所示），并作出tt的曲線圖。2從tt的曲線圖上，等時間間隔取8個t數(shù)值，并算出相應(yīng)的(t)和In(t)的數(shù)值并列表。表2 In(t)與t數(shù)據(jù)t/mintIn(t)3用In(t)對t作圖，由直線斜率求出反應(yīng)速率常數(shù)k（直線斜率的相反數(shù)即為速率常數(shù)k），并計算反應(yīng)的半衰期t1/2。七、討論1在實驗過程中，我們用蒸餾水來校正旋光儀的零點，但進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時并不需要校正零點，為什么？ 2在混合蔗糖溶液時，我們是將HCL溶液加到蔗糖溶液中去的，可否將蔗糖加到HCL溶液中？不能，因為將

10、反應(yīng)物蔗糖加入到大量HCL溶液時，一旦加入則馬上會分解產(chǎn)生果糖和葡萄糖，則在放出一半開始時，已經(jīng)有一部分蔗糖產(chǎn)生了反應(yīng)，記錄t時刻對應(yīng)的旋光度已經(jīng)不再準(zhǔn)確。反之，將HCL溶液加到蔗糖溶液中去，由于H+的濃度小，反應(yīng)速率小，計時之前所進(jìn)行的反應(yīng)的量很小。3溫度對反應(yīng)速率常數(shù)影響很大，所以嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度是做好本實驗的關(guān)鍵，建議最好用帶有恒溫夾套的旋光管。本實驗因為在室溫條件下測定，所以在測定過程中，為了防止由于高壓鈉燈發(fā)光造成體系溫度的上升，引起測定結(jié)果的誤差，在測定時建議適時將樣品管從旋光儀中取出，測定計數(shù)時才放入。本實驗最好在室溫15度以上操作，以免實驗時間過長，此時旋光度與時間變化關(guān)系變成

11、近似于直線的關(guān)系，而實際則應(yīng)該為曲線關(guān)系，故反應(yīng)時間控制在3040min為宜。4的測量過程中，剩余反應(yīng)混合液加熱溫度不宜過高以5055為宜，否則有副反應(yīng)發(fā)生，溶液變黃。因為蔗糖是由葡萄糖的苷羥基與果糖的苷羥基之間縮合而成的二糖。在H+離子催化下，除了苷鍵斷裂進(jìn)行轉(zhuǎn)化外，由于高溫還有脫水反應(yīng)，這就會影響測量結(jié)果。5反應(yīng)溶液的配制當(dāng)反應(yīng)溫度為293.2K、298.2K時，反應(yīng)溶液可按25mL蔗糖溶液加25mLHCl溶液配制。當(dāng)反應(yīng)溫度為303.2K、308.2K時，反應(yīng)溶液可按50mL蔗糖溶液加25mLHCl溶液配制。八、實際應(yīng)用 旋光性是鑒定某些天然物和絡(luò)合物立體化學(xué)結(jié)構(gòu)的有效方法之一。利用比旋光度分析蔗糖含量更有其簡便和獨到之處。九、文獻(xiàn)值表3 溫度