实验7 旋光物质化学反应的反应动力学研究——蔗糖转化反应
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水稀释为 2mol•dm-3。 ②用蒸馏水校正仪器的零点： 蒸馏水为非旋光物质，可用以校正仪器的零点（即 = 0时仪器对应的刻
度）。校正时，先冼净样品管，并向管内灌满蒸馏水，使液体形成一凸出的液 面，然后在样品管上面盖上玻璃片，此时管内不应有气泡存在，再旋上套盖， 使玻璃片紧贴于旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时不能用力过猛，以 免玻璃片压碎。用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。将样品管放入旋光仪 内。选择调零，再选择复测，如果复测结束时数字最后一位在±0.005 以内变化 则认为已调零完成。
本实验是根据反应物与生成物均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性但 旋光能力不同这一特点，可用体系反应过程旋光度的变化来量度反应的进程。
测量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有旋光物 质之旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管长度、光源波长及温度等均 有关系。当其它条件固定时，旋光度 与反应物浓度 呈线性关系，即
.
/=
= 14.73min，
=.
+
= 3.330°。
② = 40℃，蔗糖浓度：5％，盐酸浓度：2mol•dm-3， = −0.765°
/min
/°
− /° ln( − )
4
2.200
2.890
1.061
6
1.750
2.440
结果与分析
1.实验结果 其他数据见附录，活化能取五人平均， = 91.13kJ/mol。从实验数据中
可以明显看到，反应速率与温度、蔗糖浓度和盐酸浓度均呈正相关关系。
2.误差分析 综合分析实验过程，可能存在以下误差来源： ①理论方面：本实验其实为三级反应，反应速率与蔗糖浓度、盐酸浓度和
水浓度相关，而本实验中将其近似为一级反应，这与实际情况之间是有一定误 差的；另外本实验是以插值近似微分的方式，实际上也是不精确的近似方法；
（2）在反应过程中反应体系的物理性质要有明显的变化；
（3）不能有干扰因素；
（4）有较好的测量仪器设备。
物理法的优点在于不需从反应体系中取出样品，可直接测定，它不需要停 止反应而可连续迅速地进行分析，且可将物理性质变成电信号进行自动记录 等。但对于那些反应中有副反应或少量杂质对所测量的物理性质影响较灵敏时 将会造成较大的误差。
①减小实验误差的方法： （1）操作尽量迅速、仔细； （2）使用更先进的仪器。 ②关于本实验方法的利弊：本实验操作简单，原理明确，协作性强，但是 由于受不同仪器所带误差和各人操作的区别带来的误差的限制（如附录 1 和 2 求出的活化能相差很大），这样难以对真实情况作出较好的估计。 ③实验心得：本实验进一步增强了大家的合作能力，其中我也明白了作为 物理化学研究重要的方法之一，就是利用物质的特征物理量来表征所测物质的 浓度，如前面做过的吸光度、放热量等，都是类似的思路，这对之后的研究有 很强的启迪作用。
ln( − ) = − + ( − )
若以ln( − )对 作图，得到直线的斜率为− ，则反应的速度常数为 。
实验部分
1.仪器和药品 HK-2A 超级恒温水浴——南京南大万和科技有限公司 WZZ-2B 型自动旋光仪——上海精密科学仪器有限公司 PC894 秒表——深圳市惠波工贸有限公司 25ml 移液管、100ml 量筒、蔗糖
物的浓度。这种方法得到的结果比较准确，重复性较好，但操作的手续较为繁
琐，有些反应让其中止比较困难。
②物理方法是利用反应体系中反应物或产物的某些物理性质（例如导电
性、旋光性、吸光、体积、压力、折光等）与物质浓度的关系，通过测量这些
物理性质的变化来确立物质的浓度。
用物理方法进行测量时要满足以下条件：
（1）物理性质与反应物质的浓度要有简单的线性关系，最好是正比关系；
ln( − ) 1.264 1.212 1.176 1.125 1.078 1.033 0.982 0.940 0.890 0.854 0.798 0.763 0.703 0.663 0.621 0.565 0.516 0.467 0.441 0.382 0.333 0.278 0.247 0.191 0.157 0.095 0.063 -0.005 -0.041 -0.111 -0.157 -0.211 -0.261 -0.281
− /° 3.540 3.360 3.240 3.080 2.940 2.810 2.670 2.560 2.435 2.350 2.220 2.145 2.020 1.940 1.860 1.760 1.675 1.595 1.555 1.465 1.395 1.320 1.280 1.210 1.170 1.100 1.065 0.995 0.960 0.895 0.855 0.810 0.770 0.755
实验七 旋光物质化学反应反应动力学研究
——蔗糖转化反应
郭璟 中国科学技术大学少年班学院
合肥 230026
摘要：通过测量不同温度、不同蔗糖和盐酸浓度下蔗糖水解反应液的旋光度， 我找到了影响一级反应速率的因素，也对本方案做了一些评价。 Abstract: Through the measurement of optical rotation of the reaction liquid of sugar’s hydrolysis under different temperatures, concentrations of sugar and hydrogen chloride, I had a quick peek at the factors influencing the rate of the first order reaction, and gave an assessment of this approach.
2.操作 ①了解、熟悉旋光仪的结构、原理和使用方法，并配制两种浓度的蔗糖溶
液和盐酸： （1）蔗糖溶液：低浓度为 10g 蔗糖固体溶于 200ml 水（5%），高浓度为
20g 蔗糖固体溶于 200ml 水（10%）； （2）盐酸：4mol•dm-3 为已制好的，取 150ml 4mol•dm-3 盐酸加入 150ml
速度只与蔗糖浓度成正比，所以此反应为一级反应。若在反应过程中的不同时
间测得蔗糖的相应浓度，代入上式即可求得该反应的速度常数 。
2.反应动力学测量方法
测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度有两种方法：
①化学方法是在反应过程中每经过一定的时间取出部分反应混合物，并用
化学的方法使其反应立即停止，记录时间，分析此时反应混合物中产物或反应
参考资料
物理化学 高等教育出版社 傅献彩等著
附件：数据处理
1.我测量的数据及其处理如下：
① = 35℃，蔗糖浓度：5％，盐酸浓度：2mol•dm-3， = −0.765°
/min 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
= 反 （ = 0，蔗糖尚未转化） 而最终体系的旋光度为
= 生 （ = ∞，蔗糖完全转化）
其中， 和 分别为反应物与生成物之比例常数。当时间为 时，蔗糖浓度为
反生
，此时旋光度 为 = 反 + 生( − )
综合上面几式可得
−
=
= ′( − )
反− 生
−
=
= ′( − )
反− 生
代入速率方程积分式后，得
= 式中 K 与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度等有关。
物质的旋光能力用比旋光度来度量。比旋光度可用下式表示： 100
[] =
其中 是实验温度（℃）， 表示所用光源为钠灯 D 线（波长 589nm）， 为测得 的旋光度（°）， 是样品管的长度（dm）， 为浓度（g/100ml）。
作为反应物的蔗糖是右旋性的物质，其比旋光度[ ] = 66.6°。生成物 中，葡萄糖也是右旋性的物质，其比旋度[ ] = 52.5°。但果糖是左旋性物 质，其比旋度[ ] = −91.9°。由于生成物中果糖之左旋比葡萄糖右旋性大，所 以生成物呈左旋性质。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 。设体系最初的旋光度为 ，则
/° 2.775 2.595 2.475 2.315 2.175 2.045 1.905 1.795 1.670 1.585 1.455 1.380 1.255 1.175 1.095 0.995 0.910 0.830 0.790 0.700 0.630 0.555 0.515 0.445 0.405 0.335 0.300 0.230 0.195 0.130 0.090 0.045 0.005 -0.010
作 − 图：
图 1 T=35℃，低蔗糖，低盐酸的 − 图
选取 3min、7min、11min、15min、19min、23min、27min、31min、35min 处的ln( − )作图：
图 2 T=35℃，低蔗糖，低盐酸的ln( − ) − 图
方程为ln( − ) = −0.04704 + 1.4097，则速率常数 = 0.04704，半衰期
反应速度还可用半衰期 / 来表示。若 为在 时间内已经起反应了的反应物
浓度，则在 时的反应速度为
d( − )
−
=( −)
积分可得
1 =
−
当反应物浓度为起始浓度一半时，即 = 时所需之时间，称为半衰期 / ，
显然，
1 /=
2 0.693 == 1 −2
这说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数 ，而与起始浓度无关。这是一
关键词：一级反应速率，旋光度，蔗糖水解
前言
1.一级反应动力学以及本实验反应级数的确定
反应速率只与某反应物浓度成正比的反应称为一级反应，即
d −=
其中 是反应速率常数， 是反应物的浓度， 是时间。设 为反应物起始浓 度，积分可得
ln = − + 若以ln 对 作图，可得一直线，其斜率的绝对值即为反应速度常数 。
级反应的一个特点。
wk.baidu.com
蔗糖转化的反应方程式为：
C12H22O11（蔗糖）＋ H2O
C6H12O6（葡萄糖）＋C6H12O6（果糖）
此反应的反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂 H+的浓度有关。在
催化剂 H+浓度固定的条件下，这个反应本是二级反应，但由于有大量水存在，
虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小。因此，反应
③蔗糖转化旋光度的测定： （1）将超级恒温槽调节到 30℃，在干燥的 150mL 的锥形瓶中准确移取 25ml 2mol•dm-3 蔗糖溶液，在另一试剂瓶中准确移取 25ml 2 mol•dm-3 HCl，将 两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时； （2）迅速混合两瓶中的溶液并开始计时，互相倾倒确保无挂壁液体，将混 合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管 2~3 次，然后将反应液装满 样品管，盖好盖子并擦净。立即放入旋光仪内，测量各时间的旋光度。第一个 数据要求离开始起反应的 3min 内记录，从 180s 起每 60s 读一次数，一直测量 到出现旋光度负值为止。反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放 长。 ④ 的测定 在测量转化旋光度的同时将剩余的反应液置于 60℃水浴上温热 30min，使 其加速反应至完全，待在测的反应液旋光度变负后将水浴的反应液冷却至 30℃，再测此溶液的旋光度，观察读数是否稳定，若稳定，即为 值。注意水 浴温度不可过高，否则将产生副反应，颜色变黄。加热过程亦应避免溶液蒸发 影响浓度，影响 的测定。
②仪器方面：本实验采用的是自动测量的数字旋光仪，首先电子机械难免 有误差；其次在测量时会发现示数有跳动的现象，这对读数也会造成一定的影 响；更何况最后的数据是五人利用不同的操作标准在五台不同的仪器上进行操 作，误差很大也是在所难免；
③操作方面：比如观察秒表的时间，因为在整分钟的时刻眼睛要注视着旋 光仪的示数，所以如果同一过程中对整分钟的估计有浮动，那么对作出的直线 也会有影响；另外在混合蔗糖溶液和盐酸时，可能仍然会有液体残留，使得欲 求的定量关系产生偏差；在装旋光管时难免会有气泡，该气泡也会带来一定的 误差；还有在混合的时间内液体并非恒温，这对反应也会造成一定的影响。 3.讨论：
度）。校正时，先冼净样品管，并向管内灌满蒸馏水，使液体形成一凸出的液 面，然后在样品管上面盖上玻璃片，此时管内不应有气泡存在，再旋上套盖， 使玻璃片紧贴于旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时不能用力过猛，以 免玻璃片压碎。用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。将样品管放入旋光仪 内。选择调零，再选择复测，如果复测结束时数字最后一位在±0.005 以内变化 则认为已调零完成。
本实验是根据反应物与生成物均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性但 旋光能力不同这一特点，可用体系反应过程旋光度的变化来量度反应的进程。
测量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有旋光物 质之旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管长度、光源波长及温度等均 有关系。当其它条件固定时，旋光度 与反应物浓度 呈线性关系，即
.
/=
= 14.73min，
=.
+
= 3.330°。
② = 40℃，蔗糖浓度：5％，盐酸浓度：2mol•dm-3， = −0.765°
/min
/°
− /° ln( − )
4
2.200
2.890
1.061
6
1.750
2.440
结果与分析
1.实验结果 其他数据见附录，活化能取五人平均， = 91.13kJ/mol。从实验数据中
可以明显看到，反应速率与温度、蔗糖浓度和盐酸浓度均呈正相关关系。
2.误差分析 综合分析实验过程，可能存在以下误差来源： ①理论方面：本实验其实为三级反应，反应速率与蔗糖浓度、盐酸浓度和
水浓度相关，而本实验中将其近似为一级反应，这与实际情况之间是有一定误 差的；另外本实验是以插值近似微分的方式，实际上也是不精确的近似方法；
（2）在反应过程中反应体系的物理性质要有明显的变化；
（3）不能有干扰因素；
（4）有较好的测量仪器设备。
物理法的优点在于不需从反应体系中取出样品，可直接测定，它不需要停 止反应而可连续迅速地进行分析，且可将物理性质变成电信号进行自动记录 等。但对于那些反应中有副反应或少量杂质对所测量的物理性质影响较灵敏时 将会造成较大的误差。
①减小实验误差的方法： （1）操作尽量迅速、仔细； （2）使用更先进的仪器。 ②关于本实验方法的利弊：本实验操作简单，原理明确，协作性强，但是 由于受不同仪器所带误差和各人操作的区别带来的误差的限制（如附录 1 和 2 求出的活化能相差很大），这样难以对真实情况作出较好的估计。 ③实验心得：本实验进一步增强了大家的合作能力，其中我也明白了作为 物理化学研究重要的方法之一，就是利用物质的特征物理量来表征所测物质的 浓度，如前面做过的吸光度、放热量等，都是类似的思路，这对之后的研究有 很强的启迪作用。
ln( − ) = − + ( − )
若以ln( − )对 作图，得到直线的斜率为− ，则反应的速度常数为 。
实验部分
1.仪器和药品 HK-2A 超级恒温水浴——南京南大万和科技有限公司 WZZ-2B 型自动旋光仪——上海精密科学仪器有限公司 PC894 秒表——深圳市惠波工贸有限公司 25ml 移液管、100ml 量筒、蔗糖
物的浓度。这种方法得到的结果比较准确，重复性较好，但操作的手续较为繁
琐，有些反应让其中止比较困难。
②物理方法是利用反应体系中反应物或产物的某些物理性质（例如导电
性、旋光性、吸光、体积、压力、折光等）与物质浓度的关系，通过测量这些
物理性质的变化来确立物质的浓度。
用物理方法进行测量时要满足以下条件：
（1）物理性质与反应物质的浓度要有简单的线性关系，最好是正比关系；
ln( − ) 1.264 1.212 1.176 1.125 1.078 1.033 0.982 0.940 0.890 0.854 0.798 0.763 0.703 0.663 0.621 0.565 0.516 0.467 0.441 0.382 0.333 0.278 0.247 0.191 0.157 0.095 0.063 -0.005 -0.041 -0.111 -0.157 -0.211 -0.261 -0.281
− /° 3.540 3.360 3.240 3.080 2.940 2.810 2.670 2.560 2.435 2.350 2.220 2.145 2.020 1.940 1.860 1.760 1.675 1.595 1.555 1.465 1.395 1.320 1.280 1.210 1.170 1.100 1.065 0.995 0.960 0.895 0.855 0.810 0.770 0.755
实验七 旋光物质化学反应反应动力学研究
——蔗糖转化反应
郭璟 中国科学技术大学少年班学院
合肥 230026
摘要：通过测量不同温度、不同蔗糖和盐酸浓度下蔗糖水解反应液的旋光度， 我找到了影响一级反应速率的因素，也对本方案做了一些评价。 Abstract: Through the measurement of optical rotation of the reaction liquid of sugar’s hydrolysis under different temperatures, concentrations of sugar and hydrogen chloride, I had a quick peek at the factors influencing the rate of the first order reaction, and gave an assessment of this approach.
2.操作 ①了解、熟悉旋光仪的结构、原理和使用方法，并配制两种浓度的蔗糖溶
液和盐酸： （1）蔗糖溶液：低浓度为 10g 蔗糖固体溶于 200ml 水（5%），高浓度为
20g 蔗糖固体溶于 200ml 水（10%）； （2）盐酸：4mol•dm-3 为已制好的，取 150ml 4mol•dm-3 盐酸加入 150ml
速度只与蔗糖浓度成正比，所以此反应为一级反应。若在反应过程中的不同时
间测得蔗糖的相应浓度，代入上式即可求得该反应的速度常数 。
2.反应动力学测量方法
测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度有两种方法：
①化学方法是在反应过程中每经过一定的时间取出部分反应混合物，并用
化学的方法使其反应立即停止，记录时间，分析此时反应混合物中产物或反应
参考资料
物理化学 高等教育出版社 傅献彩等著
附件：数据处理
1.我测量的数据及其处理如下：
① = 35℃，蔗糖浓度：5％，盐酸浓度：2mol•dm-3， = −0.765°
/min 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
= 反 （ = 0，蔗糖尚未转化） 而最终体系的旋光度为
= 生 （ = ∞，蔗糖完全转化）
其中， 和 分别为反应物与生成物之比例常数。当时间为 时，蔗糖浓度为
反生
，此时旋光度 为 = 反 + 生( − )
综合上面几式可得
−
=
= ′( − )
反− 生
−
=
= ′( − )
反− 生
代入速率方程积分式后，得
= 式中 K 与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度等有关。
物质的旋光能力用比旋光度来度量。比旋光度可用下式表示： 100
[] =
其中 是实验温度（℃）， 表示所用光源为钠灯 D 线（波长 589nm）， 为测得 的旋光度（°）， 是样品管的长度（dm）， 为浓度（g/100ml）。
作为反应物的蔗糖是右旋性的物质，其比旋光度[ ] = 66.6°。生成物 中，葡萄糖也是右旋性的物质，其比旋度[ ] = 52.5°。但果糖是左旋性物 质，其比旋度[ ] = −91.9°。由于生成物中果糖之左旋比葡萄糖右旋性大，所 以生成物呈左旋性质。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 。设体系最初的旋光度为 ，则
/° 2.775 2.595 2.475 2.315 2.175 2.045 1.905 1.795 1.670 1.585 1.455 1.380 1.255 1.175 1.095 0.995 0.910 0.830 0.790 0.700 0.630 0.555 0.515 0.445 0.405 0.335 0.300 0.230 0.195 0.130 0.090 0.045 0.005 -0.010
作 − 图：
图 1 T=35℃，低蔗糖，低盐酸的 − 图
选取 3min、7min、11min、15min、19min、23min、27min、31min、35min 处的ln( − )作图：
图 2 T=35℃，低蔗糖，低盐酸的ln( − ) − 图
方程为ln( − ) = −0.04704 + 1.4097，则速率常数 = 0.04704，半衰期
反应速度还可用半衰期 / 来表示。若 为在 时间内已经起反应了的反应物
浓度，则在 时的反应速度为
d( − )
−
=( −)
积分可得
1 =
−
当反应物浓度为起始浓度一半时，即 = 时所需之时间，称为半衰期 / ，
显然，
1 /=
2 0.693 == 1 −2
这说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数 ，而与起始浓度无关。这是一
关键词：一级反应速率，旋光度，蔗糖水解
前言
1.一级反应动力学以及本实验反应级数的确定
反应速率只与某反应物浓度成正比的反应称为一级反应，即
d −=
其中 是反应速率常数， 是反应物的浓度， 是时间。设 为反应物起始浓 度，积分可得
ln = − + 若以ln 对 作图，可得一直线，其斜率的绝对值即为反应速度常数 。
级反应的一个特点。
wk.baidu.com
蔗糖转化的反应方程式为：
C12H22O11（蔗糖）＋ H2O
C6H12O6（葡萄糖）＋C6H12O6（果糖）
此反应的反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂 H+的浓度有关。在
催化剂 H+浓度固定的条件下，这个反应本是二级反应，但由于有大量水存在，
虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小。因此，反应
③蔗糖转化旋光度的测定： （1）将超级恒温槽调节到 30℃，在干燥的 150mL 的锥形瓶中准确移取 25ml 2mol•dm-3 蔗糖溶液，在另一试剂瓶中准确移取 25ml 2 mol•dm-3 HCl，将 两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时； （2）迅速混合两瓶中的溶液并开始计时，互相倾倒确保无挂壁液体，将混 合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管 2~3 次，然后将反应液装满 样品管，盖好盖子并擦净。立即放入旋光仪内，测量各时间的旋光度。第一个 数据要求离开始起反应的 3min 内记录，从 180s 起每 60s 读一次数，一直测量 到出现旋光度负值为止。反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放 长。 ④ 的测定 在测量转化旋光度的同时将剩余的反应液置于 60℃水浴上温热 30min，使 其加速反应至完全，待在测的反应液旋光度变负后将水浴的反应液冷却至 30℃，再测此溶液的旋光度，观察读数是否稳定，若稳定，即为 值。注意水 浴温度不可过高，否则将产生副反应，颜色变黄。加热过程亦应避免溶液蒸发 影响浓度，影响 的测定。
②仪器方面：本实验采用的是自动测量的数字旋光仪，首先电子机械难免 有误差；其次在测量时会发现示数有跳动的现象，这对读数也会造成一定的影 响；更何况最后的数据是五人利用不同的操作标准在五台不同的仪器上进行操 作，误差很大也是在所难免；
③操作方面：比如观察秒表的时间，因为在整分钟的时刻眼睛要注视着旋 光仪的示数，所以如果同一过程中对整分钟的估计有浮动，那么对作出的直线 也会有影响；另外在混合蔗糖溶液和盐酸时，可能仍然会有液体残留，使得欲 求的定量关系产生偏差；在装旋光管时难免会有气泡，该气泡也会带来一定的 误差；还有在混合的时间内液体并非恒温，这对反应也会造成一定的影响。 3.讨论：