蔗糖水解反应速率常数测定的改进和探讨

蔗糖水解反应速率常数测定的改进和探讨摘 要本实验测定了盐酸溶液中氢离子的浓度与活度，研究表明，两者分别与盐酸催化蔗糖水解反应的速率常数k呈指数关系。根据 拟合的结果计算出k 值并与实验值比较， 结果表明氢离子活度的拟合度较高。本文也 对蔗糖水解反应实验数据的 处理提出另一种方法， 简化了实验过程,提高了实验结果的准确度。关键词：蔗糖水解；氢离子浓度；氢离子活度；反应速率常数；数据处理的改进Improvement and discussion on the determination of reaction rate constant of sucrose hydrolysis AbstractThe hydrogen ion concentration and hydrogen ion activity of hydrochloric acid solution were determined. Studies have shown that they show index relationship with reaction rate constant k of sucrose hydrolysis reaction. The calculated k according to the fitting results were compared with the k obtained from the experiment. In this paper, a new method was proposed to process the experimental data of sucrose hydrolysis.The experimental processes were simplified and the accuracy of the experimental results was improved.Keywords: hydrolysis of sucrose;hydrogen ion concentration;hydrogen ion activity; reaction rate constant;improvement of data processing目 录1 文献综述 .11.1 实验原理 .11.1.1 盐酸催化蔗糖水解反应 .11.1.2 反应物质的旋光性 .21.1.3 对旋光法测定盐酸测定蔗糖反应速率常数数据处理的改进 .31.2 课题研究意义 .52 实验部分 .52.1 仪器及药品 .52.1.1 仪器 .52.1.2 药品 .52.2 实验步骤 .52.2.1 盐酸溶液中氢离子浓度的测定 .62.2.2 盐酸溶液中氢离子活度的测定 .72.2.3 旋光法测定盐酸催化蔗糖水解反应速率常数 .83 结果与讨论 .103.1 酸碱滴定法测定氢离子的浓度 .103.2 不同温度下测定蔗糖水解的反应速率常数与氢离子浓度的关系 .103.2.1 30C 恒温测定蔗糖水解的反应速率常数与氢离子浓度的关系. 103.2.2 22C 恒温测定蔗糖水解的反应速率常数与氢离子浓度的关系 .133.3 不同温度下蔗糖水解反应速率常数与氢离子活度的关系 .163.3.1 30C 时盐酸催化蔗糖水解反应速率常数与氢离子活度的关系 .163.3.2 22C 时盐酸催化蔗糖水解反应速率常数与氢离子活度的关系 .173.4 对旋光法测定蔗糖水解反应速率常数实验数据处理的改进 .183.4.1 30C 恒温对测定蔗糖水解反应速率常数实验数据处理的改进. 183.4.2 22C 恒温对测定蔗糖水解反应速率常数实验数据处理的改进. 234 结论 .27参考文献 .28致 谢 .2911 文献综述1.1 实验原理1.1.1 盐酸催化蔗糖水解反应蔗糖水解反应速率常数的测定是一个典型的动力学实验,是物理化学经典实验之一。蔗糖在 H+催化作用下水解或葡萄糖和果糖，反应方程式为：C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖 果糖它是一个二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常需要在 H+催化作用下进行。由于在较稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反应过程中水的浓度可以认为不变，而且 H+是催化剂，其 浓度保持不变。因此在一定酸度下，反 应速度只与蔗糖的浓度有关，而反应速度与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应，故蔗糖的转化反应视为一级反应 1。一级反应的的速率方程可由下式表示：（1）AkcdtcA为时间 t 时的反应物浓度， k 为反应速率常数。将（1）式分离变量后进行定积分：当 t=0 时， cA= cA0 t=t 时， cA = cA;定积分式为：ACtkdc00（2）积分结果：2（3）0lnlAAcktc(3)式是 的直线方程。反 应进行过程中， 测定不同时刻 t 时反应系统中蔗糖的浓度 cA，取得若干 组 cA、t 的数据后，以 ln cA对 t 作图，得一直线，表明该反应为一级反应（准一级反应），直线斜率为-k 2。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度是困难的， 而一般测量化学反应速率的基本思路为：化学反应中发生变化的是体系中的化学物质（包括反应物和生成物），自然与其中任何一种化学物质的浓度（或质量）相关的性质在测量反应速率时都可以加以利用。其可用于测量的物质 的性质可以为：直接可 观察的某些性质，如释放出气体的体积、体系的压强等 依据科学仪器才能测 量的性质，如颜色的深浅、光的吸收、光的发射、导电能力等 利用在溶液中颜 色深浅与显色物质浓度间的正比关系。由于蔗糖及其转化 产物，都具有旋光性，而且他 们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应的进程 3。1.1.2 反应物质的旋光性溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、 样品管长度及温度等均有关系 4。物质的旋光能力用比旋光度来度量，比旋光度用下式表示：（4）cltD式中： 为实验时 的温度； 为所用光源的波长； 为旋光度； 为液层厚度tDl（常以 10cm 为单位）； 为浓度（常用 100 溶液中溶有 克物质来表示）cml式（4）可写成：（5）10/mltD或 （6）cltD3由（6）式可以看出，当其他条件不变时，旋光度 与反 应物成正比，即（7）cK式中： 是与物质的旋光能力、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 5。蔗糖是右旋性物质，其比旋光度 66.6，产物中葡萄糖也是右旋性物质，20D其比旋光度 52.5，果糖是左旋性物 质，其比旋光度 -91.96。由于生20D20D成物中果糖的左旋光性比葡萄糖的右旋光性大，所以生成物呈现左旋性质。因此当水解反应进行时，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，然后就变成左旋，直至蔗糖完全转化，这时左旋角达到最大 值 。所以可以通过观察系统化反应过程中旋光度的变化来量度反应的进程。以此为根据，可以判断本实验反应系统的旋光度，反应初始时应为正值，随着反应的进行，旋光度逐渐减小，反应终了时，反应系统的旋光度为负值 7。蔗糖水解反 应中，反应物与生成物都有旋光性，旋光度与浓度成正比，且溶液的旋光度为各旋光度的和（加和性） 8。实验过程中某一时刻反应系统中蔗糖浓度 ct 与同一时刻反应系统的旋光度 t、反应完成时反应 系统的旋光度 之差成正比，即：t=t 时，c tt （8）或 ctf( t ) （9），式中 f 是比例系数。同理，t=0 时，c t = ct0，ct0(0 ) （10）， 或 ct0f( 0 ) （11）， (9) 式除以(11)代入（）式得：ln(ct/ct0)=ln(t )/(0 )=-kt 则 ln(t )=kt+ln( 0 ) （12）4（12）为 ln(t-)t 的直线方程，式中， 0、为反应初始及反应终了时反应系统的旋光度，它们均不随 时间改变。 实验过程中只需要测定反应进行的不同时刻 t 时反应系统的旋光度 t(若干个数据)和反应终了时反应系统的旋光度 （一个数据），以 ln(t-)对 t 作图得一直线，直线斜率为k，用作图法可求出反应速率常数 k9。1.1.3 对旋光法测定盐酸测定蔗糖反应速率常数数据处理的改进在教材中,该反应的速率常数 k 与反应体系旋光度 t及时间 t 的相互关系为:ln(t-) = kt+ln( 0-)式中 0、t、分别表示体系反应最初、t 时刻及反应终了时的旋光度,若以ln(t-)对 t 作图可得一直 线,从直线的斜率可求得反应速率常数 k10。但问题是,如果要用 ln(t-)对 t 作图 得一直线,由直线的斜率求反应速率常数 k,显然需要另外单独测定反应的 。一般测量 是将反应液放在 55左右(温度太高会有副反应发生)的恒温槽内恒温 30 min 后,再自然冷却到室温,测其旋光度即为 。在操作过程中,因为加热,常导致反应体系中酸和水的挥发,影响反应物质的浓度和反应进程,而且蔗糖在此实验条件下是否完全转化为产物,也不容易确定,该方法实验操作烦琐,耗时很长,且 的测定值对实验结 果影响极大,因此该方法存在很大的主观误差的缺陷。同 时,该方法要求起始计时点必须是反应刚开始的时刻,这是很难把握的,也会带来一定的误差 112007 年,湖北大学艾佑宏老师等 12将上述方法作了一定的改进,使得实验者不必再测量 即可得到正确的 实验结果,但是该方法 仅仅是在数据处理上的改动,虽然能够改善实验结果,但却不能从原理上解释实验结果与传统方法的巨大差异,从而也就无法从根本上找到实验误差的根源,因此有必要对实验的测量原理式进行改动,为此,重新思考实验原理,首先, 5由:dcdt= kc可得c = c0e-kt (13)式中:c 0为初始时蔗糖浓度。设 为 t 时刻溶液的旋光度,由于蔗糖、果糖、葡萄糖三种物 质均为旋光性物质,因此溶液总的旋光度 应为三种物质的旋光度的加成:=(蔗糖 )+(果糖)+( 葡萄糖)由溶液旋光度和溶液浓度的关系，可知:(蔗糖) = tD(蔗糖) lc(蔗糖)(果糖) = tD (果糖) lc(果糖)(葡萄糖) = tD (葡萄糖 ) lc(葡萄糖)因此，= tD(蔗糖)lc( 蔗糖)+ tD(果糖) lc(果糖)+ tD(葡萄糖) lc(葡萄糖)又,c(葡萄糖) = c(果糖) = c 0-c(蔗糖)代入，可得:=Ac(蔗糖)+Bc 0l其中，A= tD (蔗糖) tD (果糖 ) tD (葡萄糖)B= tD (果糖 )+tD (葡萄糖 )因此，可以得到:c= (Bc 0l)/(Al),代入到 (13)式,可得:= Bc0l+Ac0le-kt= B0+A0e-kt (14)由上式可知,在实验中，只需测得溶液的旋光度和对应时间,即可通过 Origin软件进行非线性拟合,求出相应的系数 A、B、k,测出反应速率常数 13。61.2 课题研究意义在本实验中，由于浓盐酸具有挥发性，直接移取配制的盐酸浓度往往不准确，所以，本文先通过配置标准 浓度的氢氧化钠滴定盐酸，从而测定盐酸溶液中氢离子的准确浓度。同时通过 pH 计测定盐酸的 pH 值，得出不同浓度的盐酸中氢离子的活度。本文通过旋光法测定不同浓度的盐酸对蔗糖催化反应速率的影响，同时测定了不同温度对此反应速率的影响。蔗糖酸催化反应的速率常数 k 与盐酸氢离子浓度和氢离子活度呈指数关系,即 ， 。将 k 分HnockHnoa别与氢离子浓度和氢离子活度作出线性关系图，求得不同温度下的 , 和 n，0并将据此计算出的 k 值与实验得出的 k 值对照，比较不同方法的优劣。通常测定蔗糖水解反应速率常数都需要测定反应终了时的旋光度 ,然而在实验中， 测定 时,经常测不准确,导致实验结果的 误差。本实验重新对实验测量关系式进行改进而提出另一种实验方法,不必测定反应终了时的旋光度,既可得出实验结果,又提高了实验结果的准确度。2 实验部分2.1 仪器及药品2.1.1 仪器滴定台，恒温旋光管, SWQP 数字控温仪,SYC 15 超级恒温水浴（含水搅拌器和加热器）,WZZ2S 自动旋光仪,DKS21 型电热 恒温水浴锅,PHS3CT 型精密酸度计。50ml 碱式滴定管，10ml 移液管, 25ml 移液管,50ml 移液管,100ml 容量瓶，250ml 容量瓶，量筒， 250ml 锥形瓶（带胶塞）； 50ml 烧杯,洗耳球。2.1.2 药品NaOH，浓盐酸，酚酞试剂，蔗糖，pH 缓冲剂（邻苯二甲酸氢钾），pH 缓冲剂（混合磷酸盐）。72.2 实验步骤2.2.1 盐酸溶液中氢离子浓度的测定2.2.1.1 盐酸溶液的配制本实验配制两组不同浓度的盐酸溶液：以实验室 37%的浓盐酸密度为 1.179g/cm3，相对分子 质量为 36.47。计算得该浓盐酸浓度为：11.96mol/l。第一组：盐酸近似浓度分别为：1.0mol/l，1.5mol/l，2.0mol/l，2.5mol/l，3.0mol/l。用移液管量取分别移取 8.36ml,12.54ml，16.72 ml，20.9ml，25.08ml 浓盐酸 于 100ml 容量瓶中，加蒸 馏水至刻度线，晃 动摇匀，配制成近似浓度为1.0mol/l，1.5mol/l，2.0mol/l，2.5mol/l，3.0mol/l 的盐酸溶液。第二组：盐酸近似浓度分别为：2.0mol/l，2.5mol/l，3.0mol/l，3.5mol/l，4.0mol/l。用移液管量取分别移取 16.72ml,20.9ml，25.08ml,