物化实验 蔗糖水解习题解答

实验 15 蔗糖水解反应速率常数测定

一、实验目的

1．学习测定反应级数、反应速率常数的方法；

2．掌握旋光仪的使用；掌握通过测量系统物理量跟踪反应系统浓度的方法。

二、实验原理

蔗糖水溶液在H +存在的条件下，按下式进行水解：

（葡萄糖）（果糖）（蔗糖）6

1266126]

[2112212O H C O H C O H O H C H +−−→−++ 在该反应中，H +是催化剂，当温度、H +浓度一定时，反应速率与蔗糖和水的浓度成正比， 即：

B A c c k dt

dc

'=-

（15.1） 式中，B A c c 、分别代表蔗糖浓度和水的浓度。

当蔗糖浓度很低时，反应过程中H 2O 浓度相对与蔗糖浓度改变很小，故，可近似认为c B 为常数，令：

常数==k c k B ' （15.2） 则（15.1）式可写成：

A kc dt

dc

=- （15.3） 将（15.3）式分离变量后进行定积分： 当 t=0时， C A =C A0 ； t=t 时， C A =C A; 定积分式为：

⎰⎰=-A

A C C t A A

kdt c dc 00

(15.4)

积分结果：

0ln ln A A c kt c +-= （15.5） (15.5)式是t c A ~ln 的直线方程。反应进行过程中，测定不同时刻 t 时反应系统中蔗糖的浓度c A ，取得若干组c A 、t 的数据后，以lnc A 对t 作图，得一直线，表明该反应为一级反应（准一级反应），直线斜率为-k 。

物理化学的研究方法是采用物理的方法测定反应系统某组分的浓度，所谓物理的方法是利用反应系统某组分或各组分的某些物理性质（如面积、压力、电动势、折光率、旋光度等）与其有确定的单值函数关系的特征，通过测量系统中该物理性质的变化，间接测量浓度变化。此种物理化学的实验方法最大的优点是可以跟踪系统某组分或各组分

的物理性质的变化，从而，不需要终止反应，便可以随时测定某一时刻反应系统某组分或各组分的浓度。

本实验利用反应物与产物旋光度这一物理性质上的差异确定反应系统中反应物浓度C A 。

实验过程中某一时刻反应系统中蔗糖浓度C A 与同一时刻反应系统的旋光度βt 、反应完成时反应系统的旋光度β∞之差成正比，即：

t=t 时， c A ∝βt －β∞； (15.6a) 或 c A ＝f(βt －β∞) (15.6b) 式中f 是比例系数。 同理，t=0时，c A =c A0，

c A0∝β0－β∞； (15.7a) 或： c A0＝f(β0－β∞)； (15.7b) (15.6b) 式除以(15.7b)代入(15.5)式得： kt c c A A

-=--=∞

∞ββββ0t 0ln ln

(15.8a) 则， )ln()ln(0∞∞-+-=-ββββkt t (15.8b) (15.8b)为)ln(∞-ββt ~t 的直线方程，式中，β0、β∞为反应初始及反应终了时反应系统的旋光度，它们均不随时间改变。实验过程中只需要测定反应进行的不同时刻t 时反应系统的旋光度βt (若干个数据)和反应终了时反应系统的旋光度β∞（一个数据），以

)ln(∞-ββt 对t 作图得一直线，直线斜率为－k ，用作图法可求出反应速率常数k 。 β∞也可以不测，而用数据处理中介绍的方法计算得到。

关于偏振光的知识在物理课中已经有所介绍，以下就本实验有关的问题介绍如下：

当偏振光通过旋光物质的溶液时，偏振光的振动面偏转一定角度β，此角度的大小与偏振光通过的溶液浓度C 及液层厚度L 成正比，即：

β∝c×L （15.9a ） 写成等式为：

L c D ⨯⨯=20][αβ （15.9b ）

（15.9b ）式中20][D

α为被测溶液的比旋光度，即当旋光物质溶液浓度C 为 1kg.dm -3

, 液层厚度为0.1m 时溶液的旋光度。又因为光波的波长对旋光度有影响，故规定以20℃的钠光（波长为2896×10-9m, 记为“D”）为标准，记作20][D α。

使偏振光顺时针偏转的物质称为右旋物质，反之为左旋物质，以右旋为正，左旋则为负。本实验所涉及的三种旋光物质的比旋光度分别为：

α= 66.55º

蔗糖：20]

[

D

α= 52.50º

葡萄糖：20]

[

D

α=－91.90º

果糖：20]

[

D

以此为根据，可以判断本实验反应系统的旋光度，反应初始时应为正值，随着反应的进行，旋光度逐渐减小，反应终了时，反应系统的旋光度为负值。

三、仪器药品

旋光仪一台；25ml移液管两支；洗耳球一个；100ml三角瓶一个（带胶塞）；盐酸水溶液2mol.dm-3（或3mol.dm-3）；0.25kg.dm-3蔗糖溶液；恒温水浴一套（共用, 当用数据处理中介绍的方法计算β∞时，不用恒温水浴）。

四、实验步骤

1. 测定旋光仪零点：旋光仪接通电源，点亮钠光灯，等约5~10分钟，待光源正常后，测零点，测量方法有二：

⑴当采用测量β∞的方法进行实验时，旋光仪内不装入旋光管，盖上盖，调整焦距，使视野清晰，然后缓慢转动手轮，使视野中的三部分亮度均匀（注意，此时三部分亮度均匀但较暗），从刻度盘游标尺上读取读数（在零度附近），其精度为0.05º。

⑵当用数据处理中介绍的方法计算β∞，而不测量时，将旋光管内灌满纯净的蒸馏水，放入旋光仪，盖上盖，调整焦距，使视野清晰，然后缓慢转动手轮，使视野中的三部分亮度均匀（注意，此时三部分亮度均匀但较暗），从刻度盘游标尺上读取读数（在零度附近），其精度为0.05º。

2.反应系统旋光度的测定：用指定移液管取25ml蔗糖溶液置于碘量瓶中，用另一支移液管取25ml盐酸溶液迅速注入碘量瓶中，注入一半时开始记时，全部注入后，将混合液摇均匀，灌入准备好的、洁净的旋光管，盖上小玻璃片及管盖，擦干旋光管，将旋光管放入旋光仪，尽快(最好在记时后5分钟之内)测定反应系统的第一个旋光度βt，方法同“1”，此后，分别测量第10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、90分钟左右系统的旋光度。

3．β∞的测量：将盛有剩余溶液的三角瓶作上标记，放入公用的恒温水浴中，恒温45～60分钟后，取出自然冷却至室温，“2”步完成后，将旋光管中溶液倒掉，灌入三角瓶中的溶液，按照“2”中介绍的方法测量β∞。测量一次以后，隔约20分钟后，再测量一次，两次测量结果基本相同说明反应已进行到底。

五、注意事项

1.先掌握旋光仪的使用,主要是掌握三分视野均匀且很暗的视野的确定.

2.旋光管在应用前必须洗干净，实验完成后先用自来水洗净，再用蒸馏水涮净；

3.液体装入旋光管后，管内不能有大气泡，光路内不能有气泡，有小气泡，可将其赶至旋光管的凸部。

4旋光管必须擦净后才能放入旋光仪，否则液体中的盐酸会腐蚀仪器；