蔗糖转化反应动力学 实验报告

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蔗糖转化反应动力学

一、 实验目的

1) 测定蔗糖水溶液在酸催化作用下的反应速率常数和半衰期。

2) 了解旋光度的概念，学习旋光度的测量方法及在化学反应动力学研究中的应用。

二、实验原理

蔗糖在水溶液中的转化反应为

()()()果糖葡萄糖蔗糖61266126]

[H 2112212O H C O H C O H O H C +−−→−++

此反应是一个二级反应，在纯水中反应速率极慢，通常需要在H + 的催化作

用下进行。当蔗糖含量不大时，反应过程中水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，仍可认为整个反应过程中水的浓度是恒定的。H +是催化剂，其浓度也保持不变。则此蔗糖转化反应可以看作是准一级反应，反应速率为

蔗果葡蔗kc dt

dc

dt dc dt dc ===-=υ （1）

式中：k 为蔗糖转化反应速率常数，c 蔗 为时间t 时蔗糖的浓度。

当t ＝0时，蔗糖的浓度为c 0,蔗 ，积分上式得

kt c c =蔗

蔗

,0ln

(2) 当蔗蔗,02

1

c c =

时，相应的时间t 即为半衰期21t ，且

k

k t 6931

.02ln 21=

= (3) 测定不同t 时的c 蔗可求得k 。在化学反应动力学研究中，要求能实时测定某反应物或生成物的浓度，且测量过程对反应过程没有干扰，本实验通过测量旋光度来代替反应物或生成物浓度的测量。

有关旋光度及其测量方法的内容参见本书B6部分。旋光性物质的旋光角

A

m

m αα=

（4） 式中：αm 为旋光性物质的质量旋光本领，与温度、溶剂、偏振光波长等有关；m 为旋光性物质在截面积为A 的线性偏振光束途径中的质量。由此式可得

Mlc Al

nMl m m ααα== （5）

M 为旋光性物质的摩尔质量，l 为旋光管的长度。当温度、溶剂、偏振光波长、旋光物质与旋光管长度一定时，将上式改写为

Ac =α

(6)

式中A 为常数。当旋光管中同时存在多种旋光性物质时，总的旋光角等于各旋光性物质旋光角之和。

蔗糖、葡萄糖和果糖都具有旋光性，但旋光能力不同，在293.15K ，以钠光的D 线为光源时，蔗糖、葡萄糖、果糖的质量旋光本领αm 分别为 1.16×10-2rad ·m 2·kg -1 、0.92×10-2rad ·m 2·kg -1 、-1.60×10-2rad ·m 2·kg -1 。因此，随着反应的进行，蔗糖、葡萄糖、果糖的浓度发生变化，总旋光角也发生变化。蔗糖、葡萄糖为右旋，果糖为左旋。所以反应过程中右旋角不断减小，反应完毕时溶液呈左旋。

蔗糖水解反应过程中，不同时间t 时，反应物、生成物浓度为

61266126]

[H 2112212O H C O H C O H O H C +−−→−++

t=0 c 0,蔗

0 0 t=t c 蔗 c 0,蔗-c 蔗 c 0,蔗-c 蔗 t=∞ 0 c 0,蔗 c 0,蔗

当t=0时，蔗蔗,00c A =α

当t=t 时，()()蔗蔗果蔗蔗葡蔗蔗c c A c c A c A t -+-+=,0,0α 当t=∞时，蔗果蔗葡,0,0c A c A +=∞α

因此：()蔗果葡蔗蔗果蔗葡蔗蔗＝,0,0,0,00c A A A c A c A c A ----=-∞αα

()()()蔗

果葡蔗蔗

果蔗葡蔗蔗果蔗蔗葡蔗蔗c A A A c A c A c c A c c A c A t --=---+-+=-∞,0,0,0,0αα

可得：果

葡蔗蔗＝

A A A c ---∞

αα0,0

果

葡蔗蔗＝

A A A c t ---∞

αα

由式C18.2得

∞

∞

--==ααααt t c c t k 0

,0ln 1ln 1蔗蔗 )ln()ln(0∞∞-+-=-ααααkt t

（7）

以)ln(∞-ααt 对t 作图，则图为一直线，由直线斜率可求得蔗糖转化反应速率常数k 。

三、仪器和试剂

旋光仪 恒温槽

秒表

容量瓶（50ml ）

磨口塞锥形瓶（250ml ） 烧杯（100ml 、1000ml ） 移液管（50ml ）

蔗糖（A.R.） HCl 溶液（3.0mol ·dm -3）

四、实验操作

1)参见本书B6部分，了解旋光角测定原理，掌握数字式旋光仪使用方法及操作要点。

2)打开恒温槽，调节恒温槽上定温计，将设定温度调至55℃。

3)配制20％蔗糖水溶液：10.0g蔗糖用少量水溶解，注入50ml容量瓶，稀至刻度，若溶液混浊则需过滤。

4)用移液管取50ml HCl溶液（3.0mol·dm-3）于干燥、洁净的250ml磨口塞锥形瓶中备用。

5)将配好的蔗糖溶液倒入另一干燥、洁净的250ml磨口塞锥形瓶中，将上述锥形瓶中的50mlHCl溶液迅速倒入蔗糖溶液中，同时开动秒表计时（注意秒表中间不要暂停）。两瓶应来回倒几次，使溶液倒尽，并加塞混匀。

6)迅速取少量混合液洗涤旋光测试管两次，在测试管内装满混合液，注意管内液体中不能混有气泡。用镜头纸将测试管两端玻璃片擦干，迅速放入旋光仪内，

测量第一个数据α

1，同时记录此时时间，测定α

1

尽量在3min内完成。以后每

隔1～3min测一次，同时记录相应的时间。15min后可延长时间间隔，至少测量

至旋光度为负值（左旋）。如何正确读数（即α

t

与t同时读准），及时间间隔，要在实验前考虑好，可根据已测结果进行调整。

7)将倒入测试管后的剩余混合液置于50～60℃水浴内保温30min ，然后冷却

至实验温度测α

∞

。在恒温水浴内保温时注意防止溶液挥发导致浓度改变。

8)本实验中，样品管未恒温，所测旋光角为室温下值，注意室温变化较大时，取平均值。

9)充分洗净测试管，擦净后放回仪器盒，以防酸蚀。洗净锥形瓶并晾干。

五、数据处理

1)列表记录实验条件、时间t及相应旋光角α

t ，绘出α

t

～t曲线。

室温T=19.0℃