实验十一--蔗糖水解反应

实验十一--蔗糖水解反应

实验十一 蔗糖水解反应

【实验目的】

1. 测定不同温度时蔗糖转化反应的速率常数和半衰期，并求算蔗糖转化反应的活化能。

2. 了解旋光仪的构造、工作原理，掌握旋光仪的使用方法。 【基本要求】

1.了解在蔗糖反应的动力学方程式中，任何时刻t 的蔗糖浓渡可以被反应体系在该时刻的选光度α与反应终了时的选光度∞α之差所替代的依据。

2 测定蔗糖转化率的速率常数的半衰期。

3 了解旋光仪的基本原理，掌握其实用方法。 【实验原理】

蔗糖转化反应为： C 12H 22O 11 + H 2O → C 6H 12O 6 + C 6H 12O 6

蔗糖 葡萄糖 果糖

为使水解反应加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。由于反应中水是大量的，可以认为整个反应中水的浓度基本是恒定的。而H ＋是催化剂，其浓度也是固定的。所以，此反应可视为准一级反应。其动力学方程为

kC dt

dC

=-

(1) 式中，k 为反应速率常数；C 为时间t 时的反应物浓度。

将(1)式积分得： 0ln ln C kt C +-= (2)

式中，C 0为反应物的初始浓度。

当C =1/2C 0时，t 可用t 1/2表示，即为反应的半衰期。由(2)式可得：

k

k t 693

.02ln 2/1=

=

(3)

蔗糖及水解产物均为旋光性物质。但它们的旋光能力不同，故可以利用体系

在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、光源波长及温度等因素有关。

为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表示：

[]lC

t D α

α= (4)

式中，t 为实验温度(℃)；D 为光源波长；α为旋光度；l 为液层厚度(m)；C 为浓度(kg·m -3)。

由(4)式可知，当其它条件不变时，旋光度α与浓度C 成正比。即：

α＝KC (5)

式中的K 是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素有关的常数。

在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α]20D =66.6°。产物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度[α]20D =52.5°；而产物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度[α]20D =-91.9°。因此，随着水解反应的进行，右旋角不断减小，最后经过零点变成左旋。旋光度与浓度成正比，并且溶液的旋光度为各组成的旋光度之和。若反应时间为0，t ，∞时溶液的旋光度分别用

α0，αt ，α∞表示。则：

α0＝K 反C 0 (表示蔗糖未转化) (6) α∞＝K 生C 0 (表示蔗糖已完全转化) (7)

式(6)、(7)中的K 反和K 生分别为对应反应物与产物之比例常数。

αt ＝K 反C ＋K 生（C 0－C ） (8)

由(6)、(7)、(8)三式联立可以解得：

()∞∞

-'=--=

αααα000K K K C 生

反 (9)

()∞∞

-'=--=

ααααt t K K K C 生

反 (10)

将(9)、(10)两式代入(2)式即得：

()()∞∞-+-=-αααα0ln ln kt t (11)

由(11)式可见，以ln(αt －α∞)对t 作图为一直线，由该直线的斜率即可求得反应速率常数k 。进而可求得半衰期t 1/2。

根据阿累尼乌斯公式2

11212)

(ln T RT T T E k k a -=，可求出蔗糖转化反应的活化能E a 。 【仪器试剂】

旋光仪1台；恒温旋光管1只；恒温槽1套；台称1台；停表1块；烧杯(100mL)1个；移液管(30mL)2只；带塞三角瓶(100mL)2只。

HCl 溶液(4或2mol·dm -3)；蔗糖(分析纯)。 【实验步骤】

1. 将恒温槽调节到(25.0±0.1)℃恒温，然后在恒温旋光管中接上恒温水。

2. 旋光仪零点的校正

洗净恒温旋光管，将管子一端的盖子旋紧，向管内注入蒸馏水，把玻璃片盖好，使管内无气泡（或小气泡）存在。再旋紧套盖，勿使漏水。用吸水纸擦净旋光管，再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净。放入旋光仪中盖上槽盖，打开光源，调节目镜使视野清晰，然后旋转检偏镜至观察到的三分视野最暗且暗度相等为止，记下检偏镜之旋转角α，重复操作三次，取其平均值，即为旋光仪的零点。

3. 蔗糖水解过程中αt 的测定

用台称称取20g 蔗糖，放入250mL 烧杯中，加入100mL 蒸馏水配成溶液(若溶液混浊则需过滤)。用移液管取30mL 蔗糖溶液置于100mL 带塞三角瓶中。移取30mL4mol·dm -3HCl 溶液于另一100mL 带塞三角瓶中。一起放入恒温槽内，恒温10min 。取出两只三角瓶，将HCl 迅速倒入蔗糖中，来回倒三次，使之充分混合。并且在加入HCl 时开始记时，将混合液装满旋光管(操作同装蒸馏水相同)。装好擦净立刻置于旋光仪中，盖上槽盖。测量不同时间t 时溶液的旋光度αt 。测定时要迅速准确，当将三分视野暗度调节相同后，先记下时间，再读取旋光度。每隔一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每3min 读一次，30min 后，每5min 读一次。测定1h 。

4. αt 的测定：将步骤3剩余的混合液置于近60℃的水浴中，恒温30min 以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即为αt 。

5. 另取30ml蔗糖溶液，将恒温槽调节到(30.0±0.1)℃恒温，按实验步骤3、4测定30.0℃时的αt及α∞。

6. 本实验也可采用自动旋光仪进行测定，其操作步骤与本实验相同。自动旋光仪的使用方法见第一篇第五章光学测量技术及仪器。

【注意事项】

装样品时，旋光管管盖旋至不漏液体即可，不要用力过猛，以免压碎玻璃片。

在测定α∞时，通过加热使反应速度加快转化完全。但加热温度不要超过60℃，加热过程要防止溶剂挥发，溶液浓度变化。

由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴漏到仪器上。

实验结束后必须将旋光管洗净。

旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启，测量间隔较长时应关闭几min，下一次测量前5min开启使光源稳定，以免损坏。

【数据处理】

1. 将实验数据记录于下表：

温度：；盐酸浓度：；α∞：

2. 以ln(αt－α∞)对t作图，由所得直线的斜率求出反应速率常数k。

3. 计算蔗糖转化反应的半衰期t1/2。

4. 由两个温度测得的k值计算反应的活化能。

【实验讨论】

1. 测定旋光度有以下几种用途：（1）鉴定物质的纯度；（2）决定物质在溶液中的浓度或含量；（3）测定溶液的密度；（4）光学异构体的鉴别等。

2. 古根哈姆（Guggenheim）曾经推出了不需测定反应终了浓度（本实验中即为α∞）就能够计算一级反应速率常数k的方法，他的出发点是因为一级反应在时间t与t－Δt时反应的浓度c及c’可分别表示为：

c＝c

0e－kt