实验九旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

实验九旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

实验九旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

Ⅰ、实验目的

1．测定蔗糖在酸存在下的水解速率常数。

2．了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系。3．了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法。

Ⅱ、实验原理

蔗糖水溶液在有氢离子存在时产生水解反应：

C12H22O11 + H2O 〔H+〕C6H12O6 + C6H12O6

蔗糖葡萄糖果糖

蔗糖、葡萄糖、果糖都是旋光性物质，其比旋光度为：〔α蔗〕D20= 66.65°〔α葡〕D20= 52.5°〔α果〕

20= -91.9°

D

式中：α表示在20℃用钠黄光作光源测得的旋光度。正

值表示右旋，负值表示左旋。由于蔗糖的水解是能进行到底的，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，将逐渐从右旋变向左旋。

当氢离子浓度一定，蔗糖溶液较稀时，蔗糖水解为假一级反应，其速率方程式可写成：

ln a/(a-x)= kt (1)

式中：a——蔗糖初浓度；x——反应了的蔗糖浓度。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。为简单起见，设反应方程式为：A+B→X+Y

设反应物和生成物对某物理量λ（这里是旋光度）的贡献分别是λa、λb、λx、λy，它们与浓度的关系分别是：λa = l〔A〕；λb = m〔B〕；λx = n〔X〕；λy = p〔Y〕式中，l、m、n、p为比例常数。因λ=λa +λb+λx+λy

而在反应进程中：

λa = l(a-x)；λb = m(b-x) = m〔(b-a)+(a-x) 〕；λx= nx；λy = px。

故λ=(l+ m)(a-x)+ m(b-a)+(n + p)x (2)

在（2）式右端加、减a(n+p)，然后合并得λ=(l+ m–n-p)(a-x)+ m(b-a)+a(n + p) (3)

反应开始时，a-x=a；反应完毕时，a-x=0

故λ0=(l+m-n-p)a + m(b-a)+a(n+p) (4) λ∞=m(b-a)+a(n+p) (5)

（3）式-（5）式λ-λ∞=(l+m-n-p)(a-x) (6)

（4）式-（5）式λ0-λ∞=(l+m-n-p)a (7)

将（6）、（7）式代入一级反应速率方程式（1），得：ln(λ

-λ∞)/ (λ-λ∞)= kt （8）

如果m、n、p为零，即这些物质与λ无关，则λ∞= 0，（8）式简化为ln λ0/λ= kt （9）

物性λ可以是旋光度、吸光度、体积、压力、电导等。对本实验而言，以旋光度代入（8）式，得一级反应速率方程式：

ln(α0-α∞)/(α-α∞) = kt (10)

以ln(α-α∞)对t作图，直线斜率即为-k。

通常有两种方法测定α∞，一是将反应液放置48h以上，让其反应完全后测α∞；一是将反应液在50—60℃水浴中加热半小时以上再冷到实验温度测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Guggen法处理数据，可以不必测α∞。把在t和t+Δ（Δ代表一定的时间间隔）测得的α分别

用αt和αt+Δ表示，则有

αt -α∞= (α0-α∞)e-kt (11)

αt+Δ-α∞= (α0-α∞)e-k(t+Δ) (12)

（11）式-（12）式αt -αt+Δ= (α0-α∞)e-kt(1- e-kΔ)

取对数ln(αt -αt+Δ) = ln[ (α0-α∞)(1-e-kΔ) ] - kt (13)

从（13）式可看出，只要Δ保持不变，右端第一项为常数，从ln(αt -αt+Δ)对t作图所得直线的斜率即可求得k。Δ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=30，每隔5min取一次读数。

Ⅲ、仪器与试剂

全自动旋光仪一套，容量瓶(50ml or 25ml))一个，移液管(25ml)一支，100ml锥形瓶一个，50ml烧杯一个，搅拌棒一支；4mol·l-1HCl，蔗糖。

Ⅳ、实验步骤

1．先作仪器零点校正。将空的或装满水的旋光管置于旋光仪暗匣内，开亮光源，眼对目镜，旋转检偏镜，同时调整焦距，直至视野亮度均匀，观察此时读到的旋光度是否为零，如不是零，需调整到零。（本实验所需数据为一相对值可不做零点校正）。

2．在小烧杯中称取蔗糖约5g，用少量蒸馏水溶解，倾入25ml容量瓶中，稀释至刻度，再倾入100ml锥形瓶中。又用25ml移液管吸取4mol·l-1盐酸溶液放入锥形瓶中，及时记录反应开始时间，混合均匀，尽快用此溶液淌洗旋光管后立即装满旋光管，盖上玻璃片，注意勿使管内存在气泡，旋紧管帽后(用滤纸擦去管外的溶液，以防酸液腐蚀旋光仪)即放置在旋光仪中测出旋光度。此后每隔5min测一次，经一小时后停止实验。

Ⅴ、数据记录与处理

1．取Δ为30min，每5min取一次数据（每个点快速读取三个值而求平均值），列出记录表格：

2．以ln(αt-αt+Δ)对t作图，从所得直线斜率求k。

Ⅵ、教学讨论

1．蔗糖在纯水中水解速率很慢，但在催化剂作用下会迅速加快，其反应速率大小不仅与催化剂种类有关而且与催化剂的浓度有关。

2．温度对测定反应速率影响很大，所以严格控制反应温

度是做本实验的关键。建议在反应开始时溶液的混合操作在恒温箱中进行。

3．蔗糖水解反应实为二级反应又为准一级反应。对于蔗糖水解：

C12H22O11 + H2O 〔H+〕C6H12O6 + C6H12O6

蔗糖葡萄糖果糖

该反应速率为：v=kC(C12H22O11)。因为溶剂水参加反尖，预计其速率定律应具有：

v=kˊC m(C12H22O11)·C n(H2O)的形式。由于水是大量存在的，各次实验中，水的浓度几乎保持不变。因此，可以认为：k=kC n(H2O)。这个反应称为假一级反应，或准一级反应。

4．对一级反应来说，当某一物理量只与某一种反应物或产物的浓度成正比，则可在速率方程中直接用此物理量