蔗糖转化实验

实验2.7 蔗糖的转化 一级反应

一、实验目的

1．测定蔗糖在酸催化作用下水解反应速率常数、半衰期和活化能。

2．掌握旋光仪的基本原理和使用方法。

3．掌握一级反应的动力学特征。

二、基本原理

蔗糖在水中转化为葡萄糖与果糖，其反应方程式为：

C12H22O11(蔗糖)+H2O = C6H12O6(葡萄糖)+ C6H12O6(果糖) 此反应是二级反应，在纯水中反应速率极慢，为使蔗糖水解反应加速，常以酸为催化剂。由于反应中水是大量的，可以近似认为整个反应过程中水的浓度是恒定的；而H+作为催化剂，其浓度也是固定的。因此，此反应可视为准一级反应，反应速率只与蔗糖浓度成正比。

根据反应动力学特征可知，测定反应的速率常数关键是在反应不同时间测定反应物的相应浓度。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度是较困难的。但蔗糖及水解产物葡萄糖和果糖均为旋光性物质，而且它们的旋光能力不同，因此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、样品管长度、光源波长及温度等因素有关。在其它条件固定时，旋光度α与反应物浓度有直线关系，即：

α = KC(2.7-1) 式中的比例常数K与物质的旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度和温度等均有关。

物质的旋光能力用比旋光度来表示。在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖和产物中的葡萄糖都是右旋性物质，其比旋光度分别为66.6°和52.5°，但产物中的果糖是左旋性物质，其比旋光度为-91.9°。由于溶液的旋光度为各组成的旋光度之和，因此随着水解反应的进行，反应体系的右旋角度不断减小，最后经过零点变成左旋。当反应开始时(t＝0)、经过一段时间t，以及蔗糖水解完全时(t→∞)溶液的旋光度分别用α0，αt，α∞表示。则：

α0 = K 反C 0 (2.7-2)

αt = K 反C t + K 生(C 0-C t ) (2.7-3)

α∞ = K 生C ∞ (2.7-4) 式中，K 反 和K 生 分别为反应物与生成物的比例常数，C 0 为反应物的最初浓度，C ∞ 是生成物最终之浓度，C t 是时间为t 时蔗糖的浓度。由式(2.7-2)、(2.7-3)和(2.7-4)得：

)('K K K C 000∞∞α-α=-α-α=生

反 (2.7-5) )('K K K C t t t ∞∞α-α=-α-α=

生反 (2.7-6) 将式(2.7-5)和(2.7-6)代入一级反应的积分式：

kt C C t

o =ln (2.7-7) 可得：

t

k t αααα--=∞00ln 1 (2.7-8) 即：

)l n ()l n (0∞∞-+-=-ααααkt t (2.7-9)

若以 ln(αt -α∞)对t 作图，从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 = ln2/k 。

测出不同温度下的速率常数，利用阿仑尼乌斯（Arrhenius ）经验公式可计算出蔗糖水解反应的活化能(E a )：

12

2112ln T T T T k k R E a -⨯⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= (2.7-10)

式中k 1和k 2分别为温度T 1和T 2时的速率常数。

三、仪器与试剂

仪器：旋光仪1台，恒温装置1套，100 mL 磨口锥形瓶3只，25 mL 移液

管二支，100 mL量筒，停表1块，洗耳球1只，台称1台。

试剂：3 mol·dm-3 HCl，蔗糖(A.R.)。

四、实验步骤

1．仪器装置

旋光仪的构造、原理和使用方法详见本丛书第一分册仪器部分。

2．控制恒温水浴的温度恒定在(25 ± 0.1)o C，开启旋光仪预热。

3．旋光仪零点的校正

洗净旋光管，将管子一端的盖子旋紧，向管内注满蒸馏水，把玻璃片盖好，尽量使管内无气泡存在。再旋紧套盖，勿使漏水。管中如有气泡，可赶至胖肚部分。用吸水纸擦净旋光管，再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净。将旋光管放置到旋光仪中进行零点校正。记录旋光仪读数重复测量三次，平均值即为零点，用于校正仪器的系统误差。

3．反应过程中溶液旋光度的测定

在锥形瓶中，称取10 g 的蔗糖溶于50 mL 蒸馏水中，使蔗糖完全溶解，若溶液浑浊应过滤。用移液管各取蔗糖溶液和3 mol·dm-3 HCl溶液25 mL，分别置于100 mL 的锥形瓶中，加盖后放入恒温水浴充分恒温至少10 min后取出，将HCl 溶液倒入蔗糖溶液中振荡，注意：当HCl溶液刚倒入蔗糖溶液中时开始记时，并立即倒回盛HCl 溶液的瓶中再振荡，来回3 ~ 4次，使之均匀。其后立即用此混合反应液少许，洗旋光管 2 ~ 3次后，用反应混合液装满旋光管，旋上套盖，擦净管外的溶液后，尽快放入旋光仪中进行观察测量。要求在反应开始后2 ~ 3 min内测定第一个数据。其后，将盛混合反应液的旋光管放入已经预先恒温好的恒温水浴中，在反应开始15 min内每间隔1 min测量一次旋光度，以后测量的时间间隔可适当加长，一直测到旋光度由右旋变到左旋为止。每一次测量前，将旋光管从水浴中取出，用滤纸或毛巾擦净管外的溶液后，尽快放入旋光仪中进行观察测量。寻找到平衡点立即记下反应时间t，再读取旋光度αt。每测量一次旋光度后，迅速将旋光管放入恒温水浴中恒温，以尽可能使反应混合液保持恒定的温度。

4．α∞的测定

将上述剩余的蔗糖和HCl溶液的反应混合液置于50 ~ 60o C 水浴上温热

1.5小时左右，然后冷却至原实验温度，再测此溶液的旋光度，即为α∞值。

5．将恒温槽调节到另一温度，如35o C恒温，按上述实验步骤测定体系的旋光度随反应时间的关系。

五、结果与讨论

1．将反应过程中测得的旋光度αt和对应时间t列表，作出相应的αt～t图。

2．从αt～t曲线上，等间隔时间t取8个αt～t，通过计算，以ln(αt-α∞) ~ t 作图，由直线的斜率求反应速率常数k，并由k值计算其半衰期t1/2。

3．根据两个不同温度下T1和T2测得的k1和k2，由Arrhenius公式(2.7-10)计算反应的表观活化能。

六、注意事项

1．测量αt要快而准，以减少实验温度波动时速率常数带来的误差。

2．旋光仪不要长时间开启，间隔超过20 min应该关闭，需要测定时提前5 min开启旋光仪。

3．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。实验结束时，应将旋光管洗净干燥，防止酸对旋光管得腐蚀。

4．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60o C，否则将产生副反应，颜色变黄。在H+催化下，蔗糖除了水解，由于蔗糖高温还有脱水反应，这会影响测量结果。另外，加热过程亦应避免溶液蒸发影响浓度，否则影响α∞测定的准确性。

七、思考题

1．实验中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，试问在蔗糖转化反应过程中所测的旋光度αt是否必须要进行零点校正？

2．蔗糖的水解速率常数与哪些因素有关？

3．配置蔗糖溶液时以托盘天平称量蔗糖并不够准确，这对测量结果是否有影响？

4．在测量蔗糖和HCl反应液时刻t对应的旋光度时，能否如同测纯水的旋光度那样，重复测三次后，取平均值？

5．在混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，我们将盐酸加到蔗糖溶液里去了，可