物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定

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2013-7-28
物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
2．仪器零点校正
将装满蒸馏水的旋光管置于样品室内，盖上盖箱，按“测量 ”，待数字稳定后，按“消零”键。旋光管中若有气泡，应先让
气泡浮在凸颈处；通光面两端的雾状水滴，应用软布揩干；旋光
管螺帽不宜旋得过紧，以免产生应力，影响读数。旋光管安放时 应注意标记的位置和方向。 （此时，不要操作旋光仪） 3、取溶液 Y型试管，蔗糖、盐酸
研究化学变化的方向、能达到的最大限度以及 外界条件对平衡的影响。化学热力学只能预测反应 的可能性，但无法预料反应能否发生？反应的速率 如何？反应的机理如何？例如：
1 3 N 2 H 2 NH 3 (g) 2 2 1 H 2 O 2 H 2 O(l) 2
r G / kJ mol
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
1、蔗糖等的浓度和旋光度有什么关系？
2、怎么样通过测旋光度来间接测浓度？
当某物理量与反应物和产物浓度成正比，则可导出用物理量
代替浓度的速率方程。
教材有详细的推导过程！
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ln t t ln 0 1 e k kt



（Ⅱ-8-15）
从（Ⅱ-8-15）可以看出，只要Δ保持不变，右端第一项为常 数，从ln(αt-αt+)对t作图所得直线的斜率即可求得k。 可选为半衰期的2～3倍，或反应接近完成的时间之半。本实 验可取Δ=30min，在每隔5min取一次读数。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
5.4 注意事项
1．蔗糖在配制溶液前，需先经100℃干燥1～2小时。 2．旋光管螺帽旋紧至不漏水即可，太紧容易损坏旋光管。 3．旋光管管中不能有气泡存在。 4．旋光仪的钠光灯如较长时间不用，应熄灭灯源，以保护钠光 灯。 5．反应速度与温度有关，因此在整个测量过程中应保持温度的 恒定。 6．测量完毕应立即洗净旋光管，以免酸对旋光管的腐蚀。 7．用Guggenheim法处理数据时，时间间隔△应是半衰期的2—3 倍。因此进行实验的反应时间不能太短。
例如： 动力学认为： 1 3 N 2 H 2 NH 3 (g) 需一定的T，p和催化剂 2 2 1 点火，加温或催化剂 H 2 O 2 H 2O(l) 2
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补充知识：化学动力学
化学动力学的基本任务
化学动力学的基本任务之一就是眼了解反应的速率，了解温 度、压力、催化剂、溶剂和光照等外界因素对反应速率的影响， 从而给人们提供选择反应条件、掌握控制反应进行的主动权， 使化学反应按我们所希望的速率进行。
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六、数据处理，及格式
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
2. 以 ln t t 对t作图，从所得直线斜率求k。
用数学软件Origin处理实验数据。
测量过程中，旋光度在不停的变化。）
（2）开机后“测量”键只需按一次，如果误按该键，则仪器停止 测量，液晶屏无显示。用户可再按“测量”键，液晶重新显示，
此时需重新校零。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
5.3.1 结束实验 实验完毕后，关测量，光源转换开关（扳向AC）
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
一、实验目的 1．了解蔗糖水解反应中反应物浓度与旋光度之间的关系。 2．了解旋光仪的基本原理、掌握旋光仪的正确使用方法。 3．测定蔗糖在酸存在下的水解速率常数。 4. 学会用Origin软件处理实验数据。 二、预习要求 1．掌握旋光度与蔗糖转化反应速率常数的关系。 2．掌握旋光度的测定方法。 3．了解自动旋光仪的构造及使用方法。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
五、实验部分
5.1、实验前准备部分
实验前请仔细阅读WZZ-2B自动旋光仪使用说明书,了解其结
构、原理，可参见本书实验仪器及实验技术部分。 1．仪器开机预热 ；打开旋光仪电源开关（power），5分钟 后再将光源开关(light)扳向直流电（DC；向上），仪器预热 20min（若光源开关扳上后，钠光灯熄灭，则再将光源开关上下 重复扳动1到2次，使钠光灯在直流下点亮，为正常）。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
通常有两种方法测定α∞，一是将反应液放置48小时以 上，让其反应完全后测定α∞；一是将反应液在50-60oC水浴加 热半小时以上再冷却到实验温度测α∞。前一种方法时间太长， 而后一种方法容易产生副反应，使溶液颜色变黄。本实验采用 Guggenheim（古根亥姆）法处理数据，可以不必测α∞。
dcA a b vA k c AcB .... dt
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
速率方程中的比例常数k，叫做反应速率常数。 温度一定，速率常数为一定值，与浓度无关。 1、一级反应 ：与浓度是一次方关系
2、二级反应：与浓度是二次方关系 3、三级反应：与浓度是三次方关系 4、零级反应
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
Guggenheim（古根亥姆）法处理数据的方法 把在t和t+Δ 测得的α分别用αt和αt+Δ表示，则有：
t 0 e kt
以上两式相减有：
（Ⅱ-8-12） （Ⅱ-8-13）
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对本实验而言，以旋光度代入式中，得一级反应速率方程式：
a0 a ln kt at a
所以： ln(a 以
t
（Ⅱ-8-11）
a ) kt ln(a0 a )
ln at a 对 t 作图，直线斜率即为-k。
如何测量a∞ ?
t 0 e k t
t t 0 e kt 1 e k
上式两边取对数可得到：
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（Ⅱ-8-14）
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
八、思考题 １．实验中，为什么用蒸馏水来校正自动旋光仪的零点？在 蔗糖转化反应过程中，所测的旋光度αt是否需要零点校正？ 为什么？
２．蔗糖溶液为什么可粗略配制？
３．蔗糖的转化速度和哪些因素有关？
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
注意：在此实验过程中需要保持温度恒定，一般采用超级恒
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
操作注意：（1）按旋光仪面板上的“复测”键一次，指示灯 “2”亮，表示仪器显示第一次复测结果。再次按“复测”键，指
示灯“3”亮，表示仪器显示第二次复测结果。按“123”键，可切
换显示各次测量的旋光度值。按“平均”键，显示平均值，指示 灯“AV”亮。（本实验不需取平均值，一个点只读一次数，因为
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
三、实验原理 蔗糖水溶液在有氢离子存在时将产生水解反应：
C12H22O11 + H2O 蔗糖 [H+] C6H12O6 + C6H12O6 葡糖糖 果糖
这个反应属于二级反应，由于水是大量存在的，尽管有部分 水参与了反应，仍可近似的认为整个反应过程中水的浓度是恒定 的；而且氢离子是催化剂，其浓度也保持不变。
m
1
16.63 237.19
热力学只能判断这两个反应都能发生，但如何使它发 生，热力学无法回答。
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补充知识：化学动力学
化学动力学的研究对象
化学动力学研究化学反应的速率和反应的机理以及 温度、压力、催化剂、溶剂和光照等外界因素对反应 速率的影响，把热力学的反应可能性变为现实性。
物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定 仪器设备 B 药品 实验原理 A
C
实验目的
D
实验操作 注意事项
问题讨论
E
数据处理 及结果
物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
反应速率
1、采用标量“速率”来表示浓度随时间的变化率。 2、采用反应进度随时间的变化率来表示，不会产生矛盾。
速率方程 表示反应速率和浓度等参数间关系，或表示浓度等参数与时间 关系的方程式，是化学反应的速率方程式，简称速率方程。 一般形式：
所以，蔗糖水解反应可以看作一级反应（或者称为拟一级反 应），其速率方程式可写为：
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
c ln kt c-x
C A0 （或） ln C kt A
（Ⅱ-8-1）
式中：c为蔗糖初始浓度；x为已经反应了的蔗糖浓度。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
四、仪器药品
1．仪器
WZZ-2B自动旋仪一台(上海精密科学仪器有限公司)、微型计算
机一台、25ml移液管1支、50ml烧杯1个、计时工具
２．药品
20%蔗糖溶液 ； 4mol/L HCl，
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、电源开关。
用毛巾或者吸水纸把旋光仪样品仓擦拭干净。
把旋光管洗干净，用过的玻璃仪器清洗干净。
Y型试管洗干净，放在烘干器上。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
本实验的关键部分
1．混合溶液，计时。
2．将混合溶液装入旋光管。
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
0 ln kt t
（Ⅱ-8-9）
物理量λ可以是旋光度、吸光度、体积、压力、电导等。 以前学习的化学实验中《分光光度法测定微量铁实验》;《双液
系相图实验》中吸光度、折光率与浓度的关系。
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这一过程应在5分钟内完成。 具体应该在4分45秒内完成。
5.2.2 测量旋光度
放置在旋光计中，在第一个5分钟，读数，记录数据。此后每隔 5min测一次，经1小时后停止实验。
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另一基本任务是研究反应历程。所谓反应历程就是反应物 究竟按什么途径，经过哪些步骤，才转化为最终产物。适当地 选择反应途径，可以使热力学所期望的可能性变为现实性。
移液管准确量取25.00ml溶液
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物理化学实验—蔗糖水解速率常数测定
5.2 正式实验部分 5.2.1 混合溶液
及时记录反应开始时间（第一滴盐酸与蔗糖溶液反应时开 始计时），混合均匀，尽快用此溶液淌洗旋光管3次后立即装 满旋光管，盖上玻璃片，注意勿使管内存在气泡。旋紧旋光 管螺帽。 如果有溶液流出来，用吸水纸擦干净。

蔗糖、葡糖糖、果糖都是旋光性物质，它们的比旋光度为：
20 蔗 D
66.65
o来自百度文库

20
式中 20 D
葡 D
52.5
o

20
果 D
91.9 o
表示在 20 o C 用钠黄光作光源旋光管长度为1dm
时测定浓度为1g/mL溶液的旋光度。正值表示右旋，负值表示左旋 。由于蔗糖的水解能进行到底，并且果糖的左旋远大于葡萄糖的 右旋性，因此在反应进程中，旋光度将逐渐从右旋变向左旋。
温器和恒温夹套。本实验是暂无此设备。 可以采取这样的方式：在测完一个数据后，取出旋光管；在测 下一个数据前15秒钟，放入。 或者：在测完一个数据后
，打开盖子，在测下一个
数据前15秒钟，放下盖子 读数。
恒温旋光管
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补充知识：化学动力学
化学热力学的研究对象和局限性