实训四 表面活剂对蔗糖水解反应速率的影响.doc

08应化综合实训讲义实训四表面活性剂对蔗糖水解反应速率的影响预习题：1反应速率常数k1与哪些因素有关？蔗糖稀溶液水解反应是几级反应？其k1的单位是什么？2通常情况下旋光度与哪些因素有关？为什么本实验中旋光度只与蔗糖的浓度有关？3本实验中为求k1值需测定哪些数据？4如何测定蔗糖水解溶液的？5 蔗糖稀溶液初浓度的大小与反应速率常数k1有无关系？为什么在测定中蔗糖水解溶液必须始终加盖以防蒸发？6 蔗糖溶液与HCl溶液恒温后应如何混合？HCl溶液起什么作用？该反应的k1值与HCl溶液浓度有无关系？如何记录反应开始时间？一实验目的1熟练掌握水浴恒温槽的使用方法；2熟练掌握旋光仪的原理及使用方法；3测定蔗糖在表面活性剂溶液中酸催化水解反应的速率常数，并计算反应的活化能，了解表面活性剂对蔗糖水解反应速率的催化作用；4掌握记录和处理实验数据的基本方法。二实验原理表面活性剂型胶束对化学反应速率的影响一直是物理化学领域感兴趣的课题。研究表明，表面活性剂胶束可以催化化学反应，改变反应活化能，提高（也可能降低）化学反应速率。本实验应用旋光法研究阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对蔗糖酸催化下水解反应的影响。表面活性剂水溶液浓度达到临界胶束浓度（CMC）后，会形成胶束，SDS为离子型，所以胶束带有电荷，它能与反应的初始态和活化过渡态作用从而改变反应的活化能，当离子型表面活性剂胶束与反应的过渡态作用时，可使过渡态的电荷分散，导致过渡态能量降低，从而使反应速率常数增大。反应速率常数的测定蔗糖水解反应为： 该反应的速率与蔗糖、水及H+的浓度有关。由于反应过程中水是大量的，其浓度可以看作不变，因此在一定的温度、酸度下，反应速率只与蔗糖浓度的一次方成正比，可视为准一级反应。反应速率公式为： 其中c为t时刻蔗糖的浓度；k为反应的速率系数，即反应物（此处即指蔗糖）浓度为1molkg-1时反应的速率，与反应物浓度无关，但与温度、催化剂浓度、介质等因素有关，对一级反应，k的单位为时间-1，即s-1、min-1、h-1等。对式进行移项、积分可得： c0为t=0时蔗糖的浓度。蔗糖及其水解产物均为旋光物质，即都能使透过它们的偏振光的偏振面旋转一定的角度，此角度称为旋光度，以表示。本反应中反应物及产物的旋光能力不同，故可用系统反应过程中旋光度的变化来监测反应的进程。溶液的旋光度与浓度的关系： 其中为20下采用钠光（D）测量时的比旋光度，对指定的物质为定值，当光路的长度l一定时，溶液的旋光度与旋光物质的浓度c成正比，即。蔗糖是右旋性物质，葡萄糖也是右旋性物质，=52.5，果糖是左旋性物质，=-91.90。由于旋光度与浓度成正比，且具有加和性，所以反应开始时，系统旋光度为正值，随着反应的进行，系统的旋光度不断变小，最终变为负值。设蔗糖的初浓度为c0、t时刻浓度为c，反应系统起始旋光度为0、t时刻旋光度为t，反应终了时旋光度为，则：， ， 联立上三式可解得，代入，可得： 测定不同时刻t下反应体系的旋光度t及反应终了时体系的旋光度，以对t作图可得一直线，直线斜率的相反数即为反应速率常数k。2反应活化能Ea的计算催化剂、介质等因素确定时，化学反应的速率系数k与温度T满足阿仑尼乌斯经验方程： 或 其中Ea是反应的活化能，单位Jmol-1，近似等于反应物分子形成活化过渡态所需克服的能垒，一般Ea越大，反应越难进行。A称为指前因子，与k单位相同。一般可近似认为Ea与A与温度无关。根据式，可测定一系列温度T下反应的速率系数k，以lnk对1/T作图可得一条直线，直线的斜率为-Ea/R，据此可求得反应的活化能。 若测定温度不够多，或lnk对1/T直线关系不好，也可用下式： 以k和T的对应数据，两两代入，求得的活化能再取平均值，也可得到反应的活化能。三仪器与试剂旋光仪 恒温槽 停表 电子天平 电吹风纱布 1块 玻璃棒 洗耳球 滤纸 称量纸锥形瓶（150 mL带塞） 3只 移液管（25 mL） 2支HCl（2 molL-1） 蔗糖水溶液（约200g/1000mL水） 十二烷基硫酸钠（SDS）（分析纯） 淋洗乙醇 淋洗乙醚四实验步骤测量体系如表1所示：表1 实验体系条件及编号。SDS浓度/温度30（）SDS浓度0（A）A0.5CMC（B）A1.5CMC（D）A共需做3组实验。SDS的临界胶束浓度（CMC）为8.6310-3 molL-1，结合试剂瓶上SDS的分子量，计算50 mL溶液中各体系所需加入SDS的质量，精确至小数点后4位。表2 SDS浓度与质量对照。SDS浓度0.5CMC（B）1.5CMC（D）需SDS质量称量质量130下无表面活性剂时（A）蔗糖水解反应速率常数的测定（1）调节恒温槽温度为30。（2）用专用移液管移取25 mL蔗糖溶液于一锥形瓶中，再用另一移液管移取25 mL HCl溶液于另一锥形瓶中，均塞上橡胶塞，置于30水浴中恒温15 min。在另一锥形瓶中移入25 mL蔗糖溶液及25 mL HCl溶液，摇匀后于60C水浴中加热45 min。同时打开旋光仪电源开关进行预热。（3）待30C水浴中二锥形瓶中溶液恒温15 min后，取下塞子，将HCl溶液加入蔗糖溶液，并在HCl溶液加入一半时，开动停表记录反应时间，并将混合液来回倒23次。用少量反应液荡洗旋光管23次，然后注满旋光管，盖好玻璃片，旋上套盖，并检查有无漏液和有无气泡。将盛有溶液的旋光管置于30C水浴恒温槽中恒温约5 min后再开始测量。测量前先用纱布擦净旋光管外面，用滤纸擦干二个小玻璃片。如有小气泡，则将其赶入旋光管突出部，并将该端朝上放进旋光仪套筒中。先调节旋光仪的三分视野图，在暗视野中调节出三分视野消失的图像后，立刻记录时间（精确到秒），然后将旋光管置于30C水浴恒温槽中继续恒温，再读取旋光仪上左右两刻度盘上的刻度（可读至小数点后第2位，第2位为0或5），记录并求平均值。大约每5 min测定一次，共测10次。（4）将盛放蔗糖溶液和HCl溶液的二只锥形瓶用自来水彻底洗净后，再用淋洗乙醇、淋洗乙醚依次淋洗后用电吹风吹干以备下用。（5）将经60水浴加热45 min的反应液冷却，再在30水溶中恒温15 min，先取少量溶液润洗旋光管后，测其旋光度即为（60条件下蔗糖水解的速度较快，认为45 min时已反应完全）。测定后，将溶液倒回锥形瓶中，加塞，备用。230下表面活性剂浓度分别为0.5CMC 和1.5CMC时的反应速率常数的测定（1）调节恒温槽温度为30。（2）用专用的移液管移取蔗糖溶液25 mL，用电子天平精密称量所需表面活性剂，加入蔗糖溶液中，用洁净玻璃棒搅拌至完全溶解。再用另一个移液管移取25 mL HCl溶液于另一锥形瓶中。置于相应温度的水浴中恒温15 min。其余同1中步骤（3）、（4）。对于60水浴中反应45 min后的混合液，每一个测量温度下，都需恒温15 min后测量。所有实验结束后，用自来水清洗旋光管，用纱布擦干旋光管和旋光仪套管，将旋光管放入旋光仪套管中（洗涤中要谨防旋光管小玻片丢失）。所用锥形瓶彻底洗净后放入烘箱。五数据记录和处理1室温 大气压 2按下表的格式记录各组实验数据，所有数据表示在实验报告中。表3 原始数据记录实验编号 SDS浓度 测量温度 t / min/左右平均3以对时间t作图，得一直线，求出直线斜率，由直线斜率求出各体系的反应速率常数k，将其中一个图贴在实验报告中。并作图表示出SDS浓度对反应速率系数