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蔗糖水解反应速率常数的测定

一、实验目的

1、根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速率常数。

2、了解旋光仪器仪的基本原理, 掌握其使用方法。

二、实验原理

蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为：

C

12 H

22

O

11

H

2

O C

6

H

12

O

6

C

6

H

12

O

6

它属于二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常需要在H+

离子催化作用下进行。由于反应时水大量存在，尽管有部分水分子参与反应，仍可近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，而且 H+是催化剂 , 其浓度也保持不变。因此在一定浓度下，反应速度只与蔗糖的浓度有关，蔗糖转化反应可看作为一级反应。

一级反应的速率方程可由下式表示：

dC dt kC

式中： c 为蔗糖溶液浓度， k 为蔗糖在该条件下的水解反应速率常数。

令蔗糖开始水解反应时浓度为c0，水解到某时刻时的蔗糖浓度为ct ，对上式进行积分得：ln C0 C t kt

该反应的半衰期与 k 的关系为：

t1 2ln 2 k

蔗糖及其转化产物，都具有旋光性，而且它们的旋光能力不同，故可以利用

体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应进程。

测量物质旋光度所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力，溶剂性质，溶液浓度，样品管长度及温度等均有关系。当温度、波长、溶剂一定时，旋光度的数值为：

L C t

D

或KC

L为液层厚度，即盛装溶液的旋光管的长度；C为旋光物质的体积

摩尔浓度；t

D

为比旋光度； t 为温度； D 为所用光源的波长。

比例常数 'K 与物质旋光能力，溶剂性质，样品管长度，光源的波长，溶液温度

等有关。可见，旋光度与物质的浓度有关，且溶液的旋光度为各组分旋光度之和。

作为反应物的蔗糖是右旋性物质，其比旋光度

20

66.650；生成物中葡蔗 D

萄糖也是右旋性物质，其比旋光度

20

52.50；但果糖是左旋性物质，其比旋葡 D

光度

20

-91.90。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成果 D

物呈左旋性质。因此随着反应的进行，体系的右旋角不断减小，反应至某一瞬间，体系的旋光度可恰好等于零，而后就变成左旋，直至蔗糖完全转化，这时左旋角达到最大值。

反应过程浓度变化转变为旋光度变化：

当 t=0 时，溶液中只有蔗糖，溶液的旋光度值为：

0k

蔗糖

C

0 （ 1）

当 t= ∞时，蔗糖完全水解，溶液中只有葡萄糖和果糖。旋光度为：

k葡 k果 C0（2）

当 t=t 时，溶液中有蔗糖、果糖和葡萄糖，此时旋光度为：

t k蔗糖 C t k葡k果C0 C t(3 ）

经数学处理得：

C0 0 k

蔗糖k葡k果（4）

C t t k

蔗糖k葡k果（5）

即得：ln t kt ln0

三、仪器与试剂

旋光仪（ 1 台）；50ml 容量瓶（ 1 个）； 5mL移液管（ 1 支）； 25ml 移液管（ 1 支）；锥形瓶（ 3 个）；恒温水水浴（ 1 台）；秒表（1 个）；蔗糖；分析台秤（ 1 台）；蔗糖； HCL溶液（ 2mol/L ）。

四、实验步骤

1．溶液配制：

称取 10 克蔗糖放在烧杯中，加蒸馏水溶解，移至50ml 容量瓶，加水稀释至刻度。

用 25ml 移液管移取蔗糖溶液于 2 个锥形瓶，准确加入5ml 2mol/L 的 HCl 溶液，按下秒表开始计时（注意：秒表一经启动，勿停直至实验完毕）。将其中一份放入恒温水浴中加热，另一份用另一个锥形瓶相互倾倒2~3 次，使溶液混合均匀。

2.t 测定：

迅速用反应混合液将旋光管管洗涤 1 次后，将反应混合液装满旋光管，擦净后放入旋光仪，测定规定时间的旋光度。反应前期可2min 测一次，反应速度变慢后可 5 ~10min 测一次，测至 60min 即可。

3.的测量：

将放入恒温水浴中加热的溶液使反应充分后拿出，冷却至室温后测定体系的旋光度。

五、实验数据记录和处理

室温： 22.4 C 大气压： 101.36 KPa

反应温度： 22.4 C C HCl= 2 mol L-1 = -4.67

t min

t ln t

表 1 蔗糖反应液所测时间与旋光度数据

4 6 8 10 1

5 20 30 40 50 60 12.55 12.3

6 12.26 12.01 11.49 10.79 9.58 7.63 5.84 4.01 2.846 2.835 2.829 2.814 2.783 2.738 2.65

7 2.510 2.352 2.161

根据上表数据，算出相应的 ln( αt - α∞ ) 的数值计入表格，并以 In( αt - α∞ ) 对 t 作图。

图1 ln t~ t

由线性拟合得到：ln

t 0.01174t 2.93779

由直线斜率求出反应速率常数k（直线斜率的相反数即为速率常数k），并计

算反应的半衰期t 1 2

即：- k 0.01174