蔗糖水解速率常数的测定

蔗糖水解速率常数的测定

祁波 031131104

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和半衰期。

2．了解反应物浓度和反应体系旋光度之间的关系。

3．掌握旋光仪的使用方法。

二、实验原理

蔗糖溶液在酸性介质中可水解生成葡萄糖和果糖。反应如下：

612661262112212O H C O H C O H O H C +→+

（蔗糖） （葡萄糖） （果糖）

水解反应中，水是大量的，虽然有部分水分子参加了反应，但和溶质浓度的改变相比可以认为它的浓度是恒定的，而且氢离子是催化剂，其浓度也保持不变，故反应速率只和蔗糖浓度有关，可视为一级反应，其速率方程为：

dc kc dt

-

= （1） 积分上式得： 0ln c kt c = （2） 反应的半衰期和反应速率常数的关系式为：

12ln 20.693t k k

== （3） 由积分式不难看出：只要测得不同反应时刻对应的反应物浓度，就可以lnc 对c 作图得到一条直线，由直线斜率求得反应速率常数。然而，反应是在不断进行，要快速分析出不同时刻反应物的浓度是困难的。在本实验中，蔗糖及其水解产物都具有旋光性，即能够通过它们的偏振光的偏振面旋转一定的角度(该角度称为旋光度，常以α 符号表示)，来量度其浓度。蔗糖是右旋的，水解混合物是左旋的，所以随水解反应的进行，反应体系的旋光度会由右旋逐渐转变为左旋，因此可以利用体系在反应过程中旋光度的改变来量度反应的进程。

测定物质旋光度所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度和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、光源波长和温度等因素有关。

[]M C L t

⋅⋅⋅=λαα （4）

式中[]t

λα为比旋光度，可以量度物质的旋光能力，λ为所用光源的波长，一般用钠光的D 线，其波长为5.89×10-7m, t 为测定温度（℃），L 为样品管长度，C 为旋光物质的物质的量浓度,M 为旋光物质的摩尔质量。

由（4）式可以看出，当其它条件不变时，旋光度和物质浓度成正比，即

KC =α （5）

式中 []M L K t

⋅⋅=λα 为比例系数。 蔗糖是右旋物质(比旋光度20[]66.37D α=o ，产物中葡萄糖也是右旋物质（20[]52.7D α=o ），果

糖是左旋物质（20[]92D α=-o ）。因此当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时，

体系将经过零变成左旋。

设0α、t α和 α∞分别表示反应在起始时刻、t 时刻和无限长时体系的旋光度。反应在相同条件下进行，旋光度和浓度成正比，而且溶液的旋光度为各组成旋光度之和。

由（5）式可导出

)(00∞-=ααK C （6）

)(0∞-=ααt K C （7）

将（6）、（7）代入（2）式可得

0ln t kt αααα∞∞

-=- （8） 以0ln()αα∞-对时间t 作图可得一条直线，由直线的斜率即可求得反应速率常数。

如果测出不同温度时的k 值，利用Arrhenius 公式求出反应在该温度范围内的平均活化能。

2

ln d k E dT RT ∆= 三、仪器和试剂

旋光仪及其附件 1套 移液管（25ml ） 2支

恒温槽及其附件 1套 烧杯 (50ml) 2个

恒温水浴 1台 洗耳球 1个

秒表 1块 蔗糖(化学纯)

容量瓶（100ml ） 1个 HCl 溶液（1.8mol.L -1）

容量瓶(25ml) 3个 洗瓶 1只

四、实验步骤

用移液管吸取20％蔗糖溶液25mL 放入叉形反应管一侧，再用另一支移液管吸取25mL1.8mol/LHCl 溶液放入叉形反应管的另一侧，将叉形管置于298.2K 的恒温槽中恒温，恒温大约十分钟后，摇动叉形反应管，使溶液混合并同时开始记时。把溶液摇匀，用此溶液荡洗旋光管2次一3次后，装满旋光管，擦干玻片，勿使留有气泡。由于温度已改变，需将旋光管再置于恒温槽中恒温10min 左有，取出擦干，放入旋光仪中，当反应进行时间达15min 时，测定旋光度(因为旋光度随时间而改变。温度在观察过程中亦在变化，所以测定时要力求动作迅速熟练)，然后将旋光管重新置于恒温措中恒温，再按下述步骤测定不同时间的旋

光度。在开始测定的第一小时内每隔一刻钟测定一次，第二、三小时内每隔30min测定一次，以后可以每隔一小时测定一次，如此测定直至旋光度由右变到左为止。另取25mL20％的蔗糖溶液和25mL1.8mol/LHCl溶液在308.2K下进行反应速率的测定(每5min读一次直至α为负值)。

要使蔗糖完全水解，通常需48h左右，为了加速实验进度，可把叉形反应管中剩余的混合液放在323．2K左右的水浴中加热(温度过高会引起其他副反应)2h左右，使反应接近完成，

的数值。

然后取出使其冷却至测定温度，测定其旋光度即为α

∞

五、注意事项

1．蔗糖在配制溶液前，需先经380K烘干。

2．在进行蔗糖水解速率常数测定以前，要熟练掌握旋光仪的使用，能正确而迅速地读出其读数。

3．旋光管管盖只要旋至不漏水即可，过紧的旋钮会造成损坏，或因玻片受力产生应力而致使有一定的假旋光。

4．旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启，测量间隔较长时，应熄灭，以免损坏。

5．反应速率和温度有关，故叉形管两侧的溶液需待恒温至实验温度后才能混合。

6．实验结束时，应将旋光管洗净干燥，防止酸对旋光管的腐蚀。

七、思考题

1．蔗糖水解反应速率常数和哪些因素有关？

答：主要和温度、反应物浓度和作为催化剂的H+浓度有关。

2．在测量蔗糖转化速率常数时，选用长的旋光管好？还是短的旋光管好？

答：选用长的旋光管好。旋光度和旋光管长度呈正比。对于旋光能力较弱或者较稀的溶液，为了提高准确度，降低读数的相对误差，应选用较长的旋光管。

3．如何根据蔗糖、葡萄糖、果糖的比旋光度数据计算α∞？

答：

4．试估计本实验的误差，怎样减少误差？

答：本实验的误差主要是蔗糖反应在整个实验过程中不恒温。在混合蔗糖溶液和盐酸时，尤其在测定旋光度时，温度已不再是测量温度，可以改用带有恒温实施的旋光仪，保证实验在恒温下进行，在本实验条件下，测定时要力求动作迅速熟练。其他误差主要是用旋光仪测定时的读数误差，调节明暗度判断终点的误差，移取反应物时的体积误差，计时误差等等，这些都由主观因素决定，可通过认真预习实验，实验过程中严格进行操作来避免。

八、讨论

1.实验设计讨论：

（1）、采用蒸馏水校正旋光仪的零点是因为蒸馏水的旋光度为零。本实验一定要进行零点的校正，只有这样才能保证实验数据的准确性。

（2）、本实验只能用于测定蔗糖稀溶液的旋光度求反应速率常数，不能用蔗糖浓溶液代替稀溶液，因为只有在浓度比较稀的情况下该反应才为一级反应，而且只有在溶液较稀的