蔗糖水解动力学

蔗糖水解反应速度常数的测定

一、实验目的：

1、 根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速度常数。

2、了解旋光仪的基本原理、掌握使用方法。

二、基本原理：

1.蔗糖的转化为一级反应

蔗糖在H +催化作用下水解或葡萄糖和果糖，反应方程式为：

C 12H 22O 11 + H 2O −−→−+

H C 6H 12O 6 + C 6H 12O 6

蔗糖 葡萄糖 果糖

由于在较稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反应过程中水的浓度可以认为不变，因此在一定酸度下，反应速度只与蔗糖的浓度有关，而反应速度与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应，故蔗糖的转化反应视为一级反应。

(1)反应速度公式和半衰期

,r kc = k —反应速度常数，为单位浓度是的反应速度,v —反应速度。

v 也可以写为

,r kt dt dc =-=

t 反应时间，c 为时间 t 时蔗糖的浓度。

不定积分： B kt c +-=ln ，B 积分常数，

当0=t 时，

0ln c B =

0c 蔗糖的起始浓度，代入上式可得定积分式

c

c t k 0ln 1= 当反应进行一半所用的时间称为半衰期，用t 1/2表示，则

2/1002

/ln

kt c c = 解得 k

k t 6932.02ln 2/1== （2）一级反应有三个特点： ① k 的数值与浓度无关，量纲：时间-1，常用单位1-s ，1min -等。

② 半衰期与反应物起始浓度无关。

③ 以c ln 对 t 作图应得一直线，斜率为k -，截距为B 。

由此可用作图法求得直线斜率，计算反应速度常数-=k 斜率。

2.反应物质的旋光性

蔗糖及其水解产物葡萄糖，果糖都含有不对称碳原子，它们都具有旋光性，即都能使透过他们的偏振光的振动面旋转一定的角度，此角度称为旋光度，以α表示。蔗糖，葡萄糖能使偏振光的振动面按顺时针方向旋转，为右旋物质，旋光度为正值。果糖为左旋物质，旋光度为负值，数值较大，整个水解混合物是左旋的。所以可以通过观察系统化反应过程中旋光度的变化来量度反应的进程。量度旋光度的仪器称旋光仪，旋光仪的原理方法将专门讲解。

2.1旋光度与比旋光度

溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、液层厚度、光源的波长以及反应时的温度因素有关。

为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度[]α这一概念，并以下式表示：

[]c l t

D ⋅=

αα （1） 式中：t 为实验时的温度；D 为所用光源的波长；α为旋光度；l 为液层厚度（常以10cm 为单位）；c 为浓度（常用100ml 溶液中溶有m 克物质来表示），式（1）可写成：

[]100/m l t

D ⋅=αα （2）

或

[]c l t

D ⋅=αα （3）

由（3）式可以看出，当其他条件不变时，旋光度α与反应物成正比，即

c K '=α

式中：K '是与物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关系的常数。

蔗糖是右旋性物质（比旋光度[]

=20D α66.6°），产物中葡萄糖也是右旋性物质（比旋光度[]=20

D α52.5°），果糖是左旋性物质（比旋光度[]=20D α-91.9°）。因此当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时体系将经过零变成左旋。

2.2旋光度变化与浓度变化的对应关系

蔗糖水解反应中，反应物与生成物都有旋光性，旋光度与浓度成正比，且溶液的旋光度为各旋光度的和（加和性）。若反应时间为0，t,∞时溶液旋光度各为0α，t α，∞α。可推导出：

][K 00∞-=ααC ， ][K 0∞-=ααt C

0α为开始时蔗糖的右旋角；t α为反应进行到t 时的混合物的旋角；∞α 为水解完毕时的左旋角。可用（∞-αα0）代表蔗糖的总量，（∞-ααt ）代表t 时的蔗糖量。

简单的推导证明方法可以如图示看出

∞-αα0正比， ∞-ααt 正比

3.反应速度常数k 的求法

()()∞

∞∞--=∞--==ααααααααt t t t c c t k 000ln 1K K ln 1ln 1 以ln(αt -α∞)对t 作图,由图所得直线斜率求k 值，进而求半衰期t 1/2。

三、仪器和试剂（略）

四、实验步骤：

1、将恒温槽调节到25︒C 恒温，称取10克蔗糖溶于水中，用50ml 容量瓶配成溶液。用移液管移取25ml 蔗糖溶液溶于锥形瓶中，然后放入恒温水浴中10分钟。另同样取25ml 盐酸溶液放入恒温槽中。

2、校正旋光度仪零点。

打开旋光度仪器预热几分钟，旋光管内注满蒸馏水，旋紧套盖，用纸擦净两端玻璃片，放入旋光仪内，盖上槽盖。调节目镜使视野清晰。然后旋转检偏镜能观察到明暗相等的三分视野为止，记下刻度盘读数，重复操作三次，取其平均值，此即为旋光仪零点。测毕取出旋光管，倒出蒸馏水。

α的测定

3、蔗糖水解过程中

t

从恒温槽中取出蔗糖溶液，将25ml 2mol/L HCl溶液加入蔗糖溶液使其混合均匀。取加入一半HCl时作为反应开始时间，迅速取少量混合液清洗旋光管两三次。然后注满旋光管，测量各时间t时溶液的旋光度。分别测得时间为5、10、15、20、25、30、40、50、60分钟时的旋光度。

α的测定

4、

∞

将反应剩余的混合液置50~60 ︒C的热水浴中，温热30分钟，以加速转化反应的进行，然后冷却，再恒温至25︒C，测旋光度，此值即为反应终了时的旋光度。

5、实验结束时，立刻将旋光管洗净干燥，以免酸对旋光管的腐蚀。

五、数据记录和处理

α

实验温度HCl浓度零点

∞

1.实验数据填入下表

t t∞t∞

2.以ln(αt-α∞)对t作图,由图所得直线斜率求k值。

3.计算反应的半衰期t1/2。

六、讨论与说明：

1. 蔗糖水解在酸性介质中进行，H+为催化剂，故反应是一复杂反应，反应的计算方程式显然不表示此反应的机理反应并不是因为水的浓度变化可忽略而视为一级。本反应视为一级反应完全是实践得出的结论。

2. 速度常数k与浓度有关，所以酸的浓度必须精确，以保证反应体系中H+浓度与实验要求的相一致。

α时，每测完一次，将旋光管置于25︒C的恒3. 温度对速度常数k的影响不容忽视，在测定

t

温槽水浴中恒温，待下次测量时拿出。

4. 在放置旋光管上的玻璃片时，将玻璃盖片沿管口轻轻推上盖好，再旋紧套盖，勿使其漏水或产生气泡。

5. 旋光仪使用中，若两次测定中间间隔时间较长，则应切断电源，让灯管休息一会，在下次使用提前10分钟再开启。

6. 对三分视野的明暗判断影响实验值的精度，因此要求判断时尽可能作到快而准。

七、思考讨论题：

1. 为什么可用蒸馏水来校正旋光仪的零点？

2. 在旋光度的测量中为什么要对零点进行校正？它对旋光度的精确测量有什么影响？在本实验中若不进行校正对结果是否有影响？

3. 为什么配置蔗糖溶液可用上皿天平称量？