實驗七-旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數(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和半衰期。了解旋光儀的基本原理，掌握其使用方法.二、基本原理蔗糖在水中轉化成葡萄糖和果糖，其反應為:C12H22O1l+H2OC6H12O6+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：deA=ke

2、dtACA為時間t時反應物的濃度,k為反應速率常數。積分可得：(2)Ine=一kt+IneAA,0式中，CA,0為反應物的初始濃度。當CA=1/2CA,0時，t可用t1/2表示，即為反應的半衰期。由（2）式可得：In2_0.693從上式可以看出,在不同時間測定反應物的相應濃度，并以lne對t作圖，可得一條直線，由直線的斜率可求得反應速率常數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、樣品管的長度及溫度均有

3、關系。當其它條件均固定時,旋光度a與反應物濃度e呈線性關系，即a=0c(4)式中比例常數0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。6；生成物中葡萄糖也是右旋光性物質，其比旋光度a=52.5,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a/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，8時溶液的旋光度分別用a0

4、,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，3時溶液的旋光度分別用ao,-t，豊表示。TOC o 1-5 h zat=0蔗c+S葡+0果)(c。c)叮力葡+果)c0由以上三式可得c0=(ao-a)0一(fi卄+0)I1(7)c=(a.一a)0世-(0卄+0丿1(8)t3蔗葡果將式(7)、(8)代入式(2)并整理得經聯(lián)立方程可推導出：ln(aa)=kt+ln(aa)t808顯然，以ln(aa)對t作圖可得一直線，直線斜率即為一k。t8三、儀器、試劑WZZ-3型自動旋光儀恒溫水浴容量瓶(50ml)錐形瓶(150ml)移液管(25ml)蔗糖(分析純)HCl(

5、4。00N)燒杯(50ml)四、實驗步驟自動旋光儀的使用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.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MODELCn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；默認值：MODE：1；L：2.0；C：0；n：1)oMODE1即為旋光度測試，所以在測試中無需改變參數的設置。MODE2:比旋度;MODE3:濃度；MODE4:糖度;旋光儀的零點校正蒸餾水為非旋光性物質，可以用來校正旋光儀的零點。校正時，先洗凈樣品管，再向管內灌滿蒸餾水，在上

6、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；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，待讀數穩(wěn)定后，按“清零鍵，液晶屏上會顯示0讀數.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蒸餾水溶解，溶解完全后，用移液管吸取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HC1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

7、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。第一個數據在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。a的測量：通常有兩種方法測定a，一是將剩余的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。然后取出，冷至室溫下測量旋光度，在10分鐘內讀取5個數據，取其平均值，即為a。一是將反應8放置48小時以上，讓其反應完全后測a；種方法容易產生副反應，使溶液顏色變黃。8而后一種

8、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)，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法處理數據（見問題討論部分），這樣可以不必測a。本8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，注入蒸餾水，放入旋光儀.五、數據記錄和處理1、t=，a=t/min8a/()a8aln(ata8)t/mina/()aa-8aaln(t-8)31441552062573083594010451150125513602、以In（aa）對t作圖，從所得直線斜率求k.tg3、計算蔗糖轉

9、化反應的半衰期t1/2。六、注意事項裝樣品時，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。在測定a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60C。g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。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據的影響大，要注意整個實驗時間內的恒溫。若無樣品管恒溫夾套，則旋管光管離開恒溫水浴適應短。根據實驗數據，當H+=lmolL-1、蔗糖溶液的濃度為10%時，則k（303。7K）=3。35X10-2min-ik（313.2K）=7。92X

10、10-2min-i由以上數據求得：在303。7313.2K溫度范圍內，平均活化能E71kJm0I-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+對反應速度常數有影響，影響情況見表1。若酸濃度不準，盡管數據的線性關系較好，但k值偏離文獻數據.表1溫度和鹽酸濃度對蔗糖水解速率的影響2（蔗糖溶液濃度均為10%）c/moldm-3HCIkx103/min-1298.2K308.2K318.2K0.05020。41691。7386.2130.25122.2559.35535.860。41374。04317。0

11、060.620。900011.1646。76148。81。21417。45575。97-E=108kJmol-1有研究報道，在30p的實驗條件下,HCI濃度在13molL-1范圍時，蔗糖水解速率常數k與H+的關系為:k/min-1二1.8x10-3+23.70 x10-3x實驗在30p，蔗糖反應液配制：蔗糖（10g）+水（50mL）+HCI（25mL,4mol/L），已知反應液中】H+=1。33mol/L,將代入上述計算，得速率常數值k=0.0395min-1。應用本文提出的方法得到的匕=0.035985min-i和k2=0。038977min-1,比常規(guī)方法得到的匕=0。05104min1和

12、k2=0o06092min-i更接近于文獻值。2.實驗中，為什么用蒸餾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:一般蒸餾水的旋光度很小或接近零,因此用蒸餾水可以校正儀器。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應速率常數也受到影響，因此進行校正。3o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

13、速率常數k與其中的蔗糖濃度無關，這是可以從公式看出的。4o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.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a,a，貝y12(A)a=2a12(B)2a=a12(C)a=a12解：測定蔗糖轉化反應的速率常數可用下列哪一種方法：D）分光光度法（A）量氣體體積（B）旋光法（C）電導法解：（B）在測定蔗糖溶液旋光度時，使用的光源是：紅外燈（A）鈉光燈（B）白軹燈（C）水銀燈（D）解：（A）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

14、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._必_I6精確的實驗結果表明，蔗糖水解的反應速率為：廣處*式中c為蔗糖的濃10g度，即反應實際上為8級反應在本實驗條件下，10克蔗糖溶于50ml水中，其濃度為:十50 x10-3dm3=0.58mol-dm-3342.30g-mol-11000gdm55而水的濃度為：1呃，即訟而勺在反應過程中保持不變,de=-c在這種情況下，反應速率可表示為腔，其中。因此，h2o的r高濃度和不變是蔗糖水解表現為一級反應的條件，這

15、種一級反應為“準一級反應”（或稱“假一級反應）。如果沒有數據（或者反應未趨完全），是否也能求得反應速率常數？解：可以。把在t和t+A（A代表一定的時間間隔）測得分別用a和a表示，則有tt+ATOC o 1-5 h za-a=（a-a）e-kt（4）tg0ga-a=（a-a）e-k（t+A）t+Ag0g（4）式一（5）式a一a=（a-a）e-kt（1e-kkA）tt+A0g取對數ln（a-a）=二ln（a-a）（1-e-k-a）-k-1（6）tt+A0g從（6）式可看出，只要A保持不變，右端第一項為常數，從ln（a-a）對t作圖所得直線的斜率即可求得k。tt+AA可選為半衰期的23倍，或反應接進完成的時間之半。本實驗可取A=30min,每隔5min取一次讀數。1、取A=30min，每隔5分鐘取一次數據，列出記錄表格。t/mina/()t(t+A)/mina/()t+Aa-att+AIn(aa)tt+A535104015452050255530