实验12一级反应——蔗糖的转化

实验 12 一级反应 蔗糖的转化 目的要求 1 根据物质的光学性质 用测定旋光度的方法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 了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系及一级反应的动力学特征 3 了解旋光仪的基本原理 掌握其使用方法及在化学反应动力学测定中的应用 原理 蔗糖转化过程的方程是 C12H22O12H2O H C6H12O6 C6H12O6 其速率方程为 12 1 H OHs s ccck dt dc 2 式中为反应速率常数 为时间 时蔗糖浓度 此反应在定温条件下 在纯水中进行的反 k s ct 应速率很慢 通常需要在催化下进行 因此做催化剂 在反应过程中浓度可视为不 H H 变 则式 12 1 变为 12 2 OHs s cck dt dc 2 式中 12 2 式表明该反应为二级反应 但由于有大量水存在 虽然有部分水分子 H ckk 参加反应 但在反应过程中水的浓度变化极小而视为常数合并到中 故式 12 2 可写成 k 12 3 s s ck dt dc 1表 式中 故蔗糖转化反应可看作表观一级反应 当时 蔗糖的初始浓 OH H cckk 2 1 表 0 t 度为 积分 12 3 式得 0 c 12 4 01 lnlnctkcs 表 若以对 做图 可得一条直线 从直线斜率可求得 当时 半衰期 s clnt 1表 k 2 10 2 1 ttccs 只决定于而与蔗糖起始浓度无关 这是一级反应的特征 如 11 2 1 6931 0 2ln 表 表 kk t 2 1 t 1表 k 何获得不同时刻 时的呢 因蔗糖及其转化产物葡萄糖和果糖都含不对称的碳原子 都t s c 具有旋光性 但旋光能力不同 故可利用体系在反应过程中旋光度的变化来度量反应过程 度量旋光度所用的仪器称为旋光仪 它是利用偏振光通过具有旋光性的被测物质 用检偏镜 来测定旋光度的 其构造及测量原理图 12 1 图 12 1 旋光仪的构造示意图 从图 12 1 看出 自然光通过起偏镜产生偏振光 该偏振光部分通过狭长石英条 宽度为 视野的 1 3 偏振面被旋转了一个角度 角很小 这种中间与两边偏振面不同 相差 角 的偏振光在样品管中被旋转 同样角度 后到达检偏镜 如果检偏镜能通过的光振面与中 间光偏振面一致 则视野中可见到如图 12 2 a 中间亮两边暗 同样检偏镜能通过的光偏振 面与两边的光一致 则视野中出现图 12 2 b 中间暗两边亮 在与图 12 2 a 和 12 2 b 的角 度都相差 2 角的地方 存在一点 整个视野的光亮度一致 如图 12 2 c 这点作为读数点 某溶液和纯水的读数之差就是溶液的旋光度 图 12 2 旋光仪的三分视野图 旋光仪的大小与溶液中所含旋光物质之旋光能力 溶剂性质 溶液的浓度 光源波长 以及温度等有关 当其它条件均固定是 旋光度与反应物质浓度呈线性关系 即 c Kc 式中的比例常数与物质之旋光能力 溶剂性质 溶液厚度 温度等有关 当波长 溶剂及K 温度一定时 溶液的旋光度与浓度 样品长度成正比 即 100 20 cL D 式中的比例常数称为比旋光度 可用来度量物质的旋光能力 20 为实验温度 20 D 20 D 是指所用钠光灯源 D 线 波长 5893 L 为样品管长度 dm 为浓度 g 100ml Ac 反应物蔗糖为右旋物质 比旋光度 生成物中葡萄糖也是右旋物质 6 66 20 D 果糖是左旋物质 其 由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖 5 52 20 D 9 91 20 D 的右旋性大 所以生成物总体呈现左旋性质 因此 随着反应的进行 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 而后变成左旋 直至蔗糖完全转化 这时左旋角 达到最大值 设最初的旋光度为 蔗糖尚未转化 12 5 00 cK反 0 t 最后的旋光度为 蔗糖已完全转化 12 6 0 cK生 t 式中分别为反应物与生成物的比例系数 为反应物的起始浓度即生成物的 生反 K K 0 c 最后浓度 当时间为 时 蔗糖浓度为 此时旋光度为 t s c t 12 7 0sst ccKcK 生反 由式 12 5 12 6 12 7 联立 可解得 12 8 0 0 0 K KK c 生反 12 9 t t s K KK c 生反 将此关系式代入 12 4 式即得 lg 303 2 lg 0 1 t k t 表 若以对 作图 从其斜率即可求得反应速率常数 进而求出其半衰期 lg tt 1表 k 2 1 t 仪器和试剂 旋光仪 1 台 电热恒温水浴锅 1 台 量筒 500ml 2 只 三角锥瓶 100ml 1 只 停表 台秤 蔗糖 AR 盐酸 6 擦镜纸 3 dmmol 实验步骤 1 配置 20 蔗糖溶液 在台秤上称取 6g 蔗糖于锥形瓶中 加入 24ml 蒸馏水摇动使其溶解 2 旋光仪零点的校正 把旋光管一端的盖旋开 注意盖内玻片以防跌碎 用蒸馏水洗净并充满 使液体在管口 形成一凸出的液面 然后将玻片轻轻推放盖好 注意不要留有气泡 然后旋好管盖 注意不 应过紧 使不漏水即可 把旋光管外壳及两端玻片水渍吸干 把旋光管放入旋光仪中 打开 电源 旋转刻度盘在 0 度附近 调整目镜聚焦 使视野清楚 在旋光仪的视野中会看到如图 12 3 的三分视野图 旋转刻度盘使三分视野中的阴暗度完全相等 三分视野的分界线消失如 图 12 3 c 则可读取数据 重复三次 取其平均值 即为旋光仪的零点读数 3 反应过程中旋光度的测定 在蔗糖溶液锥瓶中 加入 6HCl 溶液 30ml 刚加至 1 半时开始记时 此时为 3 dmmol 反应开始的时间 注意 是一次性加入的 倒出旋光管中蒸馏水 以少量蔗糖溶液荡洗一 次 然后尽快放入旋光仪中 在时间间隔为 5min 10min 15min 20min 30min 40min 50min 60min 时测其旋光度 直至旋光度为 2 左右为止 多次测定后关上钠光灯 欲测时提前 5min 开灯 为防止旋光仪发热而影响旋 光管内反应系统的温度 最好每次测定后 将旋光管移出旋光仪 4 的测定 将剩下的溶液在 65 75 的水浴内恒温约 5min 然后冷却至原来的温度 并取少量溶 液荡洗旋光管后 装满溶液 测其旋光度 5 实验完毕 洗净旋光管 擦干复原 注意事项 1 注意不要打破或丢失小玻璃片 2 加热反应溶液时 注意水温不能超过 70 加热时间不超过 5min 否则会产生副 反应 溶液将会变成黄色 加热的同时 要不断搅拌 数据处理 1 仪器零点 的值 实验温度 2 列出表 并作出相应的图 t t t t 3 从曲线上 等时间间隔读取 8 10 个数值 并算出和t t t lg t 的值 列出下表 lg 0 min t t lg t lg 0 k 4 以对 做图 由直线斜率求出反应速率常数 并计算出反应的半衰期 lg tt 1表 k 2 1 t 思考题 1 本实验中 用蒸馏水校正旋光仪的零点时 若不进行校正 对实验结果是否有影响 2 一级反应有那些特征 为什么配置蔗糖溶液可用台秤称量 3 在混合蔗糖溶液和 HCl 溶液时 是将 HCl 溶液加入到蔗糖溶液中 可否把蔗糖溶液 加到 HCl 溶液中 为什么 4 在测量蔗糖盐酸水溶液时刻 对应的旋光度时 能否象测纯水的旋光度那样 重 t t 复测三次后 取平均值 5 你认为该实验还有什么改进的地方 参考资