旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)ly

旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)一.目的要求測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)k、半衰期t12和活化能Ea了解反應(yīng)的反應(yīng)物濃度與旋光度之間的關(guān)系了解旋光儀的基本原理,掌握旋光儀的正確使用方法基本原理蔗糖在水中轉(zhuǎn)化成葡萄糖與果糖，其反應(yīng)為：CHO+HO—CHO+CHO1222 11 2 612 6 6126(蔗糖)(葡萄糖)(果糖)它是一個(gè)二級(jí)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(shí)水是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應(yīng)，仍可近似地認(rèn)為整個(gè)反應(yīng)過程中水的濃度是恒定的，而且H+作為催化劑，其濃度也保持不變.因此蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)可近似為一級(jí)反應(yīng)。一級(jí)反應(yīng)的速率方程可由下式表示：—/=kc………(12.1)dtc為時(shí)間t時(shí)的反應(yīng)物濃度,k為反應(yīng)速率常數(shù)。積分可得：lnc=-kt+lnc° (12.2)c0為反應(yīng)開始時(shí)反應(yīng)物濃度。當(dāng)c=0.5c0時(shí)，可用t]/2表示反應(yīng)時(shí)間，既為反應(yīng)的半衰期：ti/2=宇………(12.3)從(12.2)式不難看出，在不同時(shí)間測定反應(yīng)物的相應(yīng)濃度，并以lnc對(duì)t作圖,可得一直線，由直線斜率即可得反應(yīng)速率常數(shù)k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.但蔗糖及其轉(zhuǎn)化物,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)的進(jìn)程。測量物質(zhì)旋光度的儀器稱為旋光儀。溶液的旋光度與溶液中所含物質(zhì)的旋光能力、溶液性質(zhì)、溶液濃度、樣品管長度及溫度等均有關(guān)系。當(dāng)其它條件固定時(shí),旋光度a與反應(yīng)物濃度c呈線性關(guān)系，即：a=Pc (12.4)式中比例常數(shù)§與物質(zhì)旋光能力、溶液性質(zhì)、溶液濃度、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：[a]20=~^-……(12.5)DLxCA式中[a]d右上角的“20”表示實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為20°C,D是指用鈉燈光源D線的波長(即589nm),a為測得的旋光度(。),L為樣品管長度(dm),C人為試樣濃度

(g/ml)。反應(yīng)物蔗糖是右旋性物質(zhì)，其比旋光度0]20=66.6。；生成物中葡萄糖也是右旋D性物質(zhì)，其比旋光度心]20=52.5。，但果糖是左旋性物質(zhì)，其比旋光度[“]20=-91.9。.由于生成物中果糖的左球性比葡萄糖右旋性大,所以生成物呈現(xiàn)左旋，性質(zhì)。因此隨著反應(yīng)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(shí)左旋角達(dá)到最大值?“°設(shè)體系最初的旋光度為：a=^c……(t=0,蔗糖尚未轉(zhuǎn)化)(12.6)體系最終的旋光度為：a=pC°……(t=8,蔗糖已完全轉(zhuǎn)化)(12.7)(12.6)和(12.7)中p和。生分別是聯(lián)系旋光度與反應(yīng)物和生成物濃度的比例常數(shù)。當(dāng)時(shí)間為t時(shí)，蔗糖濃度為C，此時(shí)旋光度為at，即：a=pc+p(c-c) (12.8)由(13.6)、(13.7)和(13.8)聯(lián)立可解得：TOC\o"1-5"\h\zc=(a—a)/(P—P)=P'(a—a)(12-9)0 0 8 反 生 0 8c=(a—a)/(P—P)=P'(a—a)(12.10)一 > .，一t、+一—反 生 t8將(12.9)和(12.10)代入(12.2)式既得：ln(a—a)=—kt+ln(a—a) (12.11)t8 0 8顯然，以ln(at—a)對(duì)t作圖可得一直線,從直線斜率即可求得反應(yīng)速率常數(shù)k。儀器與試劑WZZ-2BWZZ-2B型自動(dòng)旋光儀 1臺(tái)秒表 1塊容量瓶(100ml) 3個(gè)蔗糖溶液(分析純)(20.0g/100ml)超級(jí)恒溫水浴 1臺(tái)帶恒溫夾套的旋光管 1支移液管(25ml) 2支HCl溶液(分析純)(4.00mol.dm-3)實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)恒溫水浴至所需的反應(yīng)溫度25°C。將HCl溶液和蔗糖溶液各約80mL分別置于100mL容量瓶中于恒溫水浴中恒溫備用。開啟旋光儀，將光源開關(guān)拔至交流(AC),鈉燈亮，經(jīng)20分鐘預(yù)熱后使之發(fā)光穩(wěn)定。拔光源開關(guān)至直流(DC)。此時(shí)若鈉燈熄滅，則將光源開關(guān)重復(fù)拔動(dòng)1?2次，使鈉燈在直流(DC)下點(diǎn)亮為正常。按測量開關(guān)，儀器進(jìn)入待測狀態(tài)。將裝有蒸餾水或空白溶液的旋光管放入樣品室，蓋好箱蓋，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后，按清零鈕完成校零。旋光管中若有氣泡，應(yīng)使氣泡浮于凸頸處;通光面兩端若有霧狀水滴,可用濾紙輕輕揩干。旋光管端蓋不宜旋得過緊，以免產(chǎn)生應(yīng)力，影響讀數(shù)。旋光管安放時(shí)應(yīng)注意標(biāo)記的位置和方向，以保證每次測量時(shí)一致。

注意：“測量”鈕實(shí)為復(fù)位鈕或啟動(dòng)鈕，按奇數(shù)次啟動(dòng)測量程序，按偶數(shù)次則會(huì)終止測量，且液晶屏無顯示。因此，在開機(jī)后只能按動(dòng)測量鈕1次，否則需要再按動(dòng)測量鈕2次并重新校零！待試樣恒溫15?20min后用移液管吸取已恒溫的蔗糖溶液25ml注入預(yù)先清潔干燥的100ml容量瓶內(nèi)；用另一支移液管吸取25ml已恒溫的HCl溶液于前述已放有25mL蔗糖溶液的容量瓶中，同時(shí)啟動(dòng)秒表以記錄反應(yīng)時(shí)間,迅速搖勻后,立即用少量反應(yīng)液蕩洗旋光管兩次，然后將反應(yīng)液裝滿旋光管，旋上端蓋,外部用濾紙擦干后放進(jìn)旋光儀內(nèi)，蓋好箱蓋,等待約5秒后讀取旋光度值,同時(shí)按動(dòng)秒表左側(cè)按鈕記時(shí)。第一個(gè)數(shù)據(jù)要求在反應(yīng)開始2min左右進(jìn)行測定。在反應(yīng)開始的30min內(nèi)，每分鐘測量一次;以后由于反應(yīng)物濃度降低，使反應(yīng)速率變慢，可以將測量間隔改為2min,直至測量到旋光度為-3o為止。所測各數(shù)據(jù)即為a。注意：當(dāng)旋光度在±5o以內(nèi)時(shí),自動(dòng)測定值可能變化，應(yīng)按復(fù)測鈕測是反應(yīng)完畢后，將旋光管內(nèi)反應(yīng)液與容量瓶內(nèi)剩余的反應(yīng)混合液合并，置于55oC的水浴內(nèi)恒溫40min,使其加速反應(yīng)至完全。取出后置于前述實(shí)驗(yàn)溫度（如25°C）下恒溫5min,用少量該反應(yīng)液蕩洗旋光管2次后將反應(yīng)液裝入旋光管，恒溫5min后測定旋光度，此后每3min測定一次，共測4?6次,其平均值即為a值。調(diào)恒溫水浴溫度至35C,重復(fù)上列步驟4?6,測量另一溫度下的反應(yīng)數(shù)據(jù)。依次關(guān)閉測量、光源、電源開關(guān)。五、 注意事項(xiàng)（1） 實(shí)驗(yàn)過程中的鈉光燈不應(yīng)開啟時(shí)間太長，否則應(yīng)熄滅，以延長鈉光燈壽命，但下一次測量之前提前10min打開鈉光燈，使光源穩(wěn)定。（2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)立即將旋光管洗凈擦干（至無酸性為止），防止酸對(duì)旋光管的腐蝕，注意千萬不要將旋光管兩頭的玻片弄丟了。（3） 溶液的混合及氣、a^的測定，溶液均須恒溫至實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)方可進(jìn)行。如果旋光儀無恒溫裝置:可將旋光管置于恒溫槽中，待讀數(shù)時(shí)間快到時(shí)，取出旋光管，擦凈，置旋光儀中調(diào)節(jié)視場后，再立即將旋光管放入恒溫槽中恒溫。六、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理數(shù)據(jù)記錄和處理：試劑：蔗糖（20%）,HCl溶液（1.8mol?L-i）;實(shí)驗(yàn)溫度：30C±0.1C；測定值a=-4.61反應(yīng)過程所測的旋光度a和時(shí)間t列表（見下表）。t/min102030405060t/min102030405060808590at11.378.546.214.072.591.24-0.66-1.11-1.37由此列表可繪制出a?t的曲線圖，見下圖:tt/min102030405060808590a-a15.9813.1510.858.687.205.853.953.53.34ln(a-a)2.7712.5762.3842.1611.9741.7661.3741.2531.206WOt/min12-t/min12-t/min由上圖可知，直線的斜率為-0.01897,由此可得在303K下，蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)k=0.01897，即k303=18.97X1O-3min-i。反應(yīng)的半衰期是ti/2=0.693/k=36.5min參考文獻(xiàn)值為k(X10-3min-i)分別為17.455(298.2K),75.97(308.2K)。Ea=108kJ/mol發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。七、實(shí)驗(yàn)小結(jié)蔗糖在純水中水解速率很慢，但在催化劑作用下會(huì)迅速加快,其反應(yīng)速率大小不僅與催化劑種類有關(guān)而且與催化劑的濃度有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)除了用H+離子作催化劑外,也可用蔗糖酶催化。后者的催化效率更高，并且用量大大減少。如用蔗糖酶液(3?5活力單位/毫升)，其用量僅為2moldm-3HC1用量的1/50。蔗糖酶的制備可采用以下方法：在50mL清潔的錐形瓶中，加入鮮酵母10g,同時(shí)加入0.8g醋酸鈉，攪拌15?20min，使團(tuán)塊溶化，再加入1.5mL甲苯，用軟木塞將瓶口塞住，搖蕩10min，置37oC恒溫水浴中保溫60h,取出后加1.6mL醋酸溶液(4mol.dm-3)和5mL蒸餾水，使其中pH為4.5左右，搖勻。然后用離心機(jī)，以3000r/min的轉(zhuǎn)速，離心30min，取出后用滴管將中層澄清液移出，放置于冰柜中備用。本實(shí)驗(yàn)用HC1溶液作催化劑(濃度保持不變)。如果改變HC1濃度，其蔗糖轉(zhuǎn)化速率也隨著變化。溫度對(duì)測定反應(yīng)速率常數(shù)影響很大，嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度是做好本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。反應(yīng)進(jìn)行到后階段，為了加快反應(yīng)進(jìn)程，采用50?60oC恒溫,使反應(yīng)進(jìn)行到底。但溫度不能高于60oC，否則會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng),使反應(yīng)液變黃。因?yàn)檎崽鞘怯善咸烟堑钠樟u基與果糖的普羥基之間縮合而成的二糖。在H+離子催化下,除了普鍵斷裂進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)外，由于高溫還有脫水反應(yīng)。這就會(huì)影響測量結(jié)果。這里介紹一個(gè)重要概念——準(zhǔn)級(jí)數(shù)反應(yīng)。對(duì)于蔗糖水解:CHO(蔗糖)+HO-CH0(葡萄糖)+CH0(果糖)122211 2 6126 6126人們發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)速率為：ukcRzH??。”)。因?yàn)槿軇┧畢⒓臃磻?yīng)，預(yù)計(jì)其速率定律應(yīng)具有：r=k^cm(C12H22O11)-Cn(H20)的形式。由于水是大量存在的，各次實(shí)驗(yàn)中，水的濃度幾乎保持不變？因此，可以認(rèn)為：k=kG(HO)。這個(gè)反應(yīng)稱為假一2級(jí)反應(yīng)，或稱準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)。欲測定n是很困難的，但動(dòng)力學(xué)表明n=6。這可以用包含六合水化蔗糖的反應(yīng)歷程予以解釋。假級(jí)數(shù)包括在催化反應(yīng)中，催化劑影響速率，但在反應(yīng)中不損耗。在一次實(shí)驗(yàn)中,電0+濃度固定不變。然而，改變c(H30+)進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)實(shí)際上速率對(duì)H0