蔗糖水解反应速度常数的测定

实验七 蔗糖水解反应速度常数的测定

一、实验目的

1．根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速度常数。

2．了解旋光仪的基本原理、掌握使用方法。

3．学习用Origin 或Excel 处理实验数据。

二、实验原理

蔗糖在水中水解成葡萄糖和果糖的反应为：

+

H 122211261266126C H O +H O C H O +C H O −−→蔗糖葡萄糖果糖

为使水解反应加速，反应常常以H 3O +作催化剂，故在酸性介质中进行。水解反应中水是大量的，反应达终点时虽有部分水分子参加反应，但和溶质浓度相比可认为它的浓度没有改变，故此反应可视为一级反应，其动力学方程式为：

dc -

=kc dt

（7-1） 或 0c 1k=ln t c （7-2） 式中：0c 为反应开始时蔗糖的浓度，c 为时间t 时蔗糖的浓度。当0c=c /2时，t 可用1/2t 表示，即为反应的半衰期。

1/2ln2t =k

（7-3） 上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数k 而和反应物起始浓度无关，这是一级反应的一个特点。

蔗糖及其水解产物均为旋光物质。当反应进行时，如以一束偏振光通过溶液则可观察到偏振面的转移。蔗糖是右旋的，水解的混合物中有左旋的，所以偏振面将由右边旋

向左边。偏振面的转移角度称之为旋光度，以α表示。因此可利用体系在反应过程中旋光度的改变来量度反应的进程。溶液的旋光度和溶液中所含旋光物质的种类、浓度、液层厚度、光源的波长以及反应时的温度等因素有关。

为了比较各种物质的旋光能力引入比旋光度[α]这一概念并以下式表示

[]t D αα=c

l （7-4） 式中，t 为实验时的温度；D 为所用光源的波长，α为旋光度，l 为液层厚度（常以10cm 为单位）；c 为浓度（常用100mL 溶液中溶有m 克物质来表示），式可写成：

[]t D 100αα=m

l 或 []t D α=αc l （7-5）

由（7-5）式可以看出，当其他条件不变时，旋光度α和反应物浓度成正比，即

α=Kc （7-6）

式中K 是和物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关系的常数。

蔗糖是右旋性物质（比旋光度20

D [α]=66.6︒，产物中葡萄糖也是右旋性物质（比旋

光度20D [α]=52.5︒）果糖是左旋性物质（比旋光度20D [α]=-91.9︒）

，因此当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时体系变成左旋。

因为上述蔗糖水解反应中，反应物和生成物都具有旋光性。旋光度和浓度成正比且溶液的旋光度为各组成旋光度之和（加合性）。若反应时间为0、t 、∞时溶液的旋光度各为0t α,α,α∞，则可导出：

0t α-α1k=ln t α-α∞∞

（7-7） 可改写为 t 0ln(α-α)=-kt+ln(α-α)∞∞ （7-8）

由（7-8）式可以看出如以t ln(α-α)∞对t 作图可得一直线，由直线的斜率即可求得反应速度常数k 。

本实验就是用旋光仪测定t α,α∞值、通过作图由截距可得到0α。

三、仪器和试剂

旋光仪1台；

停表1块； 旋光管（带有恒温水外套）1支；

恒温槽1套； 容量瓶（50mL ）1个；

电子天平1台； 锥形瓶（100mL ）2个；

移液管（25mL ）2支； 烧杯（100mL 、500mL ）各1个；

2mol/L HCI 溶液； 蔗糖（分析纯）。

四、操作步骤

1．将恒温槽调节到25℃恒温，然后将旋光管的外

套接上恒温水，如图7.l 。

2．旋光仪零点的校正

打开旋光仪电源开关，预热10min 。洗净旋光管各部分零件，将旋光管一端的盖子旋紧，向管内注入蒸馏水，取玻璃盖片沿管口轻轻推入，盖好后再旋紧套盖（操作时不要用力过猛，以免压碎玻璃片），勿使其漏水或有气泡产生。用滤纸或干布擦净旋光管两端玻璃片，并放入旋光仪中，盖上槽盖，调节目镜使视野清晰，然后旋转检偏镜，使在视野中能观察到明暗相等的三分视野为止（注意：在暗视野下进行测定），记下刻度盘读数，重复操作三次，取其平均值此即为旋光仪的零点。测毕取出旋光管，倒出蒸馏水。

3．蔗糖水解过程中t α的测定

用移液管取25mL 蔗糖溶液和25mL2mol/L HCI 溶液分别注人两个100mL 干燥的图7.1 旋光管

锥形瓶中，并将此二锥形瓶同时置于恒温槽中恒温10～15分钟。待恒温后将HCI溶液加到蔗糖溶液的锥形瓶中混合，并在HCI溶液加人一半时开动停表作为反应的开始时刻，不断振荡摇动，迅速取少量混合液清洗旋光管二次，然后将此混合液注满旋光管，盖好玻璃片旋紧套盖（检查是否漏气和是否有气泡），擦净旋光管两端玻璃片，立刻置

于旋光仪中盖上槽盖。测量各时间t时溶液的旋光度

t

α，测定时要迅速准确。当三分视野暗度调节相同后，先记下时间再读取旋光度数值。可在测定第一个旋光度数值之后的5、10、15、20、30、45、65和90min各测一次。

4．α

∞

的测定

为了得到反应终了时的旋光度α

∞

，将步骤3中的混合液保留好，48h后重新恒温

观测其旋光度，此值即为α

∞

。也可将剩余的混合液置于60℃左右的水浴中温热30min，

以加速水解反应，然后冷却至实验温度。按上述操作，测其旋光度，此值即可认为是α

∞

。

需要注意的是测到30min后，每次测量间隔时应将钠光灯熄灭，以免因长期过热

使用而损坏，但下一次测量之前提前10min打开钠光灯，使光源稳定。另外，实验结

束时应立刻将旋光管洗净擦干，防止酸对旋光管腐蚀。

五、数据记录和处理

将实验数据记录于表7.1中。

表7.1 不同反应时间的旋光度值

室温：℃，大气压：mmHg

实验温度：℃；盐酸浓度：mol/L；仪器零点：︒

反应时间/min tα/︒t(α-α)/

∞︒

t

ln(α-α)

∞