旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数论文.doc

旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数（肇庆学院 化学化工学院 化学专业 10化学班 ）【摘要】蔗糖的水解反应速率常常受实验温度、酸催化剂的浓度等因素的影响，本文分别测定351.5mol/L盐酸、353mol/L盐酸、453mol/L盐酸条件下，蔗糖的转化反应速率常数k及半衰期t1/2，探讨了转化反应速率常数k与实验温度、酸度之间的定性关系。按阿累尼乌斯公式lnk2/k1=Ea(T2-T1)/(RT1T2)求出反应的活化能Ea。【关键词】速率常数；旋光法；蔗糖；水解反应【前言】蔗糖水解反应速率常数的测定是一个典型的动力学实验， 对深入理解动力学方程起着非常重要的作用，而蔗糖水解的反应速率受实验温度、酸催化剂的用量1 赵云强. 蔗糖转化速率常数与酸度和温度的关系J.贵州师范大学学报,2000,4(18):84-86.1等因素的影响较大。蔗糖转化反应为： C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖 果糖 为使水解反应加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。由于反应中水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，但仍可近似地认为整个反应中水的浓度是恒定的。而H是催化剂，其浓度也保持不变。因此，蔗糖转化反应可视为一级反应。其动力学方程为 (1) 式中，k为反应速率常数；C为时间t时的反应物浓度。 将(1)式积分得： (2)式中，C0为反应物的初始浓度。当C=1/2C0时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期。由(2)式可得： (3)蔗糖及水解产物均为旋光性物质。但它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、光源波长及温度等因素有关。为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表示： (4)式中，t为实验温度()；D为光源波长；为旋光度；l为液层厚度(m)；C为浓度(kgm-3)。 由(4)式可知，当其它条件不变时，旋光度与浓度C成正比。即： KC (5)式中的K是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素有关的常数。在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质,其比旋光度66.6。产物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度52.5；而产物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度91.9。因此，随着水解反应的进行，右旋角不断减小，最后经过零点变成左旋。旋光度与浓度成正比，并且溶液的旋光度为各组成的旋光度之和。若反应时间为0，t，时溶液的旋光度分别用0，t，表示。则： 0K反C0 (表示蔗糖未转化) (6) K生C0 (表示蔗糖已完全转化) (7)式(6)、式(7)中的K反和K生分别为对应反应物与产物之比例常数。 t K反C K生（C0C） (8)由式(6)、式(7)、式(8)三式联立可以解得： (9) (10)将式(9)、式(10)代入式(2)即得： (11)由(11)式可见，以ln(t)对t作图为一直线，由该直线的斜率即可求得反应速率常数k。进而可求得半衰期t1/2。根据阿累尼乌斯公式，可求出蔗糖转化反应的活化能Ea。1【实验部分】1.1 仪器与试剂旋光仪1台；旋光管1只；恒温槽1台；台称1台；停表1块；烧杯(100mL，1只)；移液管(25mL，2支)；带塞三角瓶(100mL，2只)。HCl(3moldm-3)；蔗糖(A.R.)。1.2 实验步骤1. 将恒温槽调节到(25.00.1)恒温，然后在旋光管中接上恒温水。2. 旋光仪零点的校正 洗净旋光管，将管子一端的盖子旋紧，向管内注入蒸馏水，把玻璃片盖好，使管内无气泡（或小气泡）存在。再旋紧套盖，勿使漏水。用吸水纸擦净旋光管，再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净，放入旋光仪中盖上槽盖开启旋光仪，校正旋光仪零点。3. 蔗糖水解过程中t的测定 用台称称取20g蔗糖，放入150mL烧杯中，加入100mL蒸馏水配成溶液(若溶液混浊则需过滤)。用移液管取25mL蔗糖溶液置于50mL带塞三角瓶中。移取25mL 4moldm-3HCl溶 液于另一50mL带塞三角瓶中。一起放入恒温槽内，恒温10min。取出两只三角瓶，将HCl迅速倒入蔗糖中，来回倒三次，使之充分混合。并且在加入HCl时开始记时，将混合液装满旋光管(操作同装蒸馏水相同)。装好擦净立刻置于旋光仪中，盖上槽盖。测量不同时间t时溶液的旋光度t。测定时要迅速准确，当将三分视野暗度调节相同后，先记下时间，再读取旋光度。每隔一定时间，读取一次旋光度，反应开始后23分钟内测第一个数据（约5左右）。开始时，可每1min读一次，20min后，每35min读一次。测定1h。 4. 的测定 将步骤3剩余的混合液置于近60的水浴中，恒温至少30min以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即为。5. 将恒温槽调节到(30.00.1)恒温，按实验步骤3、4测定30.0时的t及。2 【结果与讨论】 室温：31 实验测得蒸馏水的旋光度：0.052.1催化剂浓度的影响固定实验温度（35）、蔗糖用量（20g）、恒温时间（10min）等实验条件不变，改变催化剂HCl的浓度，探究盐酸浓度的影响，实验数据见表1，表2表一：1.5molL HCl对溶液旋光度的影响时间（min)3.54.55.56.57.58.59.510.511.5旋光度（ ）8.80 8.70 8.65 7.40 7.20 6.95 6.80 6.70 5.25 时间（min)12.513.514.515.516.517.518.519.520.5旋光度（ ）5.10 4.554.30 4.05 3.65 3.50 2.75 2.60 2.30 时间（min)21.524.527.530.533.536.539.542.545.5旋光度（ ）2.151.250.75-0.30 -0.55 -0.70 -1.40 -1.75 -1.95 时间（min)48.551.554.557.560.5旋光度（ ）-2.10 -2.20 -2.30 -2.55 -2.50 =-2.95表二：3.0molL HCl对溶液旋光度的影响时间（min)2.53.54.55.56.57.58.59.510.5旋光度（ ）9.55 7.95 5.80 5.55 3.10 2.80 2.20 1.85 1.35 时间（min)11.512.513.514.515.516.517.518.519.5旋光度（ ）0.10-0.65 -0.95 -1.40 -1.80 -1.90 -2.10 -2.20 -2.70 时间（min)20.521.522.523.524.525.526.5旋光度（ ）-2.80 -2.90 -3.00 -3.05 -3.05 -3.05 -3.05 =-3.40由于以上两次实验所取蔗糖的量相同，所以反应后所测得的旋光度应保持一致，而实验测得结果却不相同。加入相同体积情况下，1.5molL HCl催化效果比3.0molL HCl催化效果差，蔗糖未完全转化，所以在计算过程中，都取-3.40数据处理如下：表三：1.5molL HCl时溶液ln(t)随时间t旋光度的变化时间（min)3.54.55.56.57.58.59.510.511.5t12.20 12.10 12.05 10.80 10.60 10.35 10.20 10.10 8.65 ln(t)2.502.492.492.382.362.342.322.312.16时间（min)12.513.514.515.516.517.518.519.520.5t8.50 7.95 7.70 7.45 7.05 6.90 6.15 6.00 5.70 ln(t)2.14 2.07 2.04 2.01 1.95 1.93 1.82 1.79 1.74 时间（min)21.524.527.530.533.536.539.542.545.5t5.554.654.153.102.852.702.001.651.45ln(t)1.711.541.421.131.050.990.690.500.37时间（min)48.551.554.557.560.5t1.30 1.20 1.10 0.85 0.90 ln(t)0.260.180.10-0.16 -0.11 图一：1.5molL HCl时溶液ln(t)随时间t旋光度的变化由图一，以ln(t)对t作图为一直线，该直线的斜率为-0.05， 由 可求得反应速率常数k=0.05，则=13.86min表三：3.0molL HCl时溶液ln(t)随时间t旋光度的变化时间（min)2.53.54.55.56.57.58.59.510.5t12.95 11.35 9.20 8.95 6.50 6.20 5.60 5.25 4.75 ln(t)2.562.432.222.191.871.821.721.661.56时间（min)11.512.513.514.515.516.517.518.519.5t3.502.752.452.001.601.501.301.200.70ln(t)1.251.010.900.690.470.410.260.18-0.36 时间（min)20.521.522.523.524.525.526.5t0.60 0.50 0.40 0.35 0.35 0.35 0.35 ln(t)-0.51 -0.69 -0.92 -1.05 -1.05 -1.05 -1.05 图二：3.0molL HCl时溶液ln(t)随时间t旋光度的变化由图二，以ln(t)对t作图为一直线，该直线的斜率为-0.1726， 由 可求得反应速率常数k=0.1726，则=4.02min综上所述，得序号盐酸浓度/（mol.L-1）实验温度/速率常数k半衰期t1/2/min11.5350.0513.8623.0350.17264.02结果表明，保持其他条件不变，增大浓度，则反应加快，蔗糖转化反应的速率常数k明显增大。盐酸浓度增加一倍，转化反应速率常数k增大至原来的3.5倍左右；反应的半衰期约为原来的3.5倍。2.2 实验温度的影响固定盐酸浓度（3mol/L）、蔗糖用量（20g）、恒温时间（10min）等实验条件不变，分别在35、45下进行实验，蔗糖旋光度随时间变化的实验数据如表2、表4： 表四：45时3.0molL HCl对溶液旋光度的影响时间（min)1.52.53.54.55.56.57.58.59.5旋光度（ ）7.653.951.6-0.05-1.3-2.05-2.45-2.95-3.3时间（min)10.511.512.5旋光度（ ）-3.4-3.55-3.6=-3.65表五：3.0molL HCl时溶液ln(t)随时间t旋光度的变化时间（min)1.502.503.504.505.506.507.508.509.50t11.307.605.253.602.351.601.200.700.35ln(t)2.422.031.661.280.850.470.18-0.36 -1.05 时间（min)10.5011.5012.50t0.250.100.05ln(t)-1.39 -2.30 -3.00 图三：3.0molL HCl时溶液ln(t)随时间t旋光度的变化由图三，以ln(t)对t作图为一直线，该直线的斜率为-0.4738， 由 可求得反应速率常数k=0.1726，则=1.46min综上所述，得表六：不同实验温度的反应速率常数对比序号盐酸浓度/（mol.L-1）实验温度/速率常数k半衰期t1/2/min13.0350.17264.0223.0450.47381.46结果表明，保持其他条件不变，实验温度升高，则反应加快，蔗糖转化反应的速率常数k明显增大。实验温度升高10，转化反应的速率常数增大至原来的2.8倍左右；反应的半衰期约为原来的2.7倍。2.3 活化能的计算根据阿累尼乌斯公式：lnk2/k1=Ea（T2-T1）/(RT1T2)，可求出转化反应的活化能为：82.31kJ/mol。与文献值2 梁敏,邹东恢,赵桦萍. 蔗糖水解反应速率常数测定实验的改进J. 高师理科学刊,2002,3(22):83-86.108kJ/mol相比，实验测定值偏小3 李惠云等.简易动态法测定液体饱和蒸气压装置J.大学化学,1998,(5):42.4.孙文敬,周延政,冯晓燕,魏转,余泗莲,周强. 旋光法测定发酵液中2-酮基-D-葡萄糖酸J. 食品科学, 2010,(2215.桑雪梅,尚宏利,王敏,朱久进. 蔗糖水解反应实验教学的改革J. 重庆工学院学报(自然科学版), 2008,(07) . 6.贾树勇,任玉荣,徐占林,张首才,王仁章. 在化学实验教学中加强环境保护教育的探索与实践J. 大学化学, 2004,(03) . 7.周晓海,夏