旋光物质化学反应动力学研究蔗糖转化反应

1、实验七 旋光物质化学反应反应动力学研究蔗糖转化反应* PB142070*中国科学技术大学生命科学学院合肥 230026 Email：*摘要：本实验利用相应物质的旋光度与浓度的对应关系，通过检测反应过程中体系的的旋光度随时间的变化情况，进而推测出一个反应的速率常数、半衰期、表观活化能等相关参数。实验中所研究的反应是蔗糖的水解反应。通过控制温度、反应物浓度、催化剂浓度等因素来了解不同条件下反应情况的不同。关键词：速率常数、半衰期、旋光性、表观活化能、蔗糖的转化反应。实验部分：一、 前言 化学反应动力学研究中有两个非常重要的量，速率常数和半衰期。反应速率是化学反应快慢程度的量度，广义地讲是参与反应的

2、物质的量浓度随时间的变化量的绝对值。半衰期是反应中的反应物消耗掉 50% 所需的时间；速率常数则为反应反应速率方程中的常数，用k表示。 本实验中，我们利用蔗糖的水解来研究化学反应动力学。蔗糖水解反应可以视为一级反应。由于旋光性与反应物质的浓度要有简单的线性关系，并且在反应过程中反应体系的旋光性要有明显的变化，且旋光性易于测量，因而测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度 在本实验中，我们根据反应物与生成物均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性，但旋光能力不同这一特点，可用体系反应过程旋光度的变化来量度反应的进程。二、 仪器与试剂旋光仪 1台 超级恒温水浴 1台150mL锥形瓶 6个 25mL移液

3、管 5只50mL移液管（公用） 100ml 容量瓶（公用） 1只100ml量筒（公用） 1只 500ml广口瓶（公用） 3只分析纯蔗糖溶液（公用。40g蔗糖溶于400mL水中；20g蔗糖溶于400mL水中） 4mol·dm-3HCl溶液（另外配制2 mol·dm-3HCl溶液100ml）（公用）三、 实验原理 反应速率只与某反应物浓度成正比的反应称为一级反应，即 8(1)式中：k是反应速率常数，CA是反应物的浓度，t是时间，设为反应物起始浓度，积分可得： 8(2)若以lnCA对t作图，可得一直线，其斜率的绝对值即为反应速度常数k。 反应速度还可用半衰期t1/2来表示。若为在

4、t时间内已经起反应了的反应物浓度，则在时的反应速度为： 积分可得： 8(3) 当反应物浓度为起始浓度一半时，即时所需之时间，称为半衰期t1/2，显然， 8(4) 上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数k，而与起始浓度无关。这是一级反应的一个特点。 本实验对蔗糖的转化实验进行研究了解此反应的相关参数。蔗糖转化的反应方程式为： C12H22O11（蔗糖）H2OC6H12O6（葡萄糖）C6H12O6（果糖） 此反应的反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H的浓度有关。在催化剂H+浓度固定的条件下，这个反应本是二级反应，但由于有大量水存在，虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极

5、小。因此，反应速度只与蔗糖浓度成正比。其浓度与时间的关系，符合(1)式的条件，所以此反应为一级反应。若在反应过程中的不同时间测得蔗糖的相应浓度，代入上式即可求得该反应的速度常数k。测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度有两种方法：1、 化学方法是在反应过程中每经过一定的时间取出部分反应混合物，并用化学的方法使其反应立即停止，记录时间，分析此时反应混合物中产物或反应物的浓度。这种方法得到的结果比较准确，重复性较好，但操作的手续较为繁琐，有些反应让其中止比较困难。2、 物理方法是利用反应体系中反应物或产物的某些物理性质（例如导电性、旋光性、吸光、体积、压力、折光等）与物质浓度的关系，通过测量这些

6、物理性质的变化来确立物质的浓度。用物理方法进行测量时要满足以下条件： 1、物理性质与反应物质的浓度要有简单的线性关系，最好是正比关系。 2、在反应过程中反应体系的物理性质要有明显的变化。 3、不能有干扰因素。 4、有较好的测量仪器设备。 物理法的优点在于不需从反应体系中取出样品，可直接测定，它不需要停止反应而可连续迅速地进行分析，且可将物理性质变成电信号进行自动记录等。但对于那些反应中有副反应或少量杂质对所测量的物理性质影响较灵敏时将会造成较大的误差。 本实验是根据反应物与生成物均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性，但旋光能力不同这一特点，可用体系反应过程旋光度的变化来量度反应的进程。 测量旋

7、光度所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含有旋光物质之旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管长度、光源波长及温度等均有关系。当其它条件固定时，旋光度a与反应物浓度C呈线性关系，即： a=KC 8(5)式中K与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度等有关。 物质的旋光能力用比旋光度来度量。比旋光度可用下式表示： 8(6)式中：t实验温度。 D所用光源为钠灯D线（波长589nm）。 a测得的旋光度（°）。 l样品管的长度（dm）。 C浓度（克/100mL）。 作为反应物的蔗糖是右旋性的物质，其比旋光度=66.6°。生成物中，葡萄糖也是右旋性的物质，其比旋度=52.5

8、°。但果糖是左旋性物质，其比旋度=91.9°。由于生成物中果糖之左旋比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈左旋性质。因此，随着反应的进行，体系的右旋角不断减小。反应至某一瞬间，体系的旋光度可恰好等于零，而后就变成左旋，直至蔗糖完全转化，这时左旋角达到最大值a。设体系最初的旋光度为a0，则 a0=K反（t=0，蔗糖尚未转化） 8(7)最终体系的旋光度为： a¥=K生（t=¥，蔗糖完全转化） 8(8) 式(7)、(8)中，K反和K生分别为反应物与生成物之比例常数。当时间为t时，蔗糖浓度为CA，此时旋光度at为： at=K反CAK生(CA) 8(9) 综合上面几式可得

9、： 8(10) 8(11) 代入积分式(2)后，得： 8(12)若以对t作图，得一直线，其斜率为k，从而求得反应的速度常数k。四、 实验步骤1、了解、熟悉旋光仪的结构、原理和使用方法。（详见附录） 2、用蒸馏水校正仪器的零点，蒸馏水为非旋光物质，可用以校正仪器的零点（即a=0时仪器对应的刻度）。校正时，先冼净样品管，将管一端加上盖子，并向管内灌满蒸馏水，使液体形成一凸出了液面，然后在样品管上面盖上玻璃片，此时管内不应有气泡存在，再旋上套盖，使玻璃片紧贴于旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时不能用力过猛，以免玻璃片压碎。用滤纸将样品管擦干，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。将样品管放入旋光

10、仪内。打开光源，调整目镜聚焦，使视野清楚。然后旋转检偏镜，直到所观察到的三分视野暗度相等为止，记下检偏镜之旋角，重复测量数次，取其平均值，此均值即为零点，用来校正仪器的系统误差。 3、蔗糖转化旋光度的测定：将超级恒温槽调节到所需的温度，在干燥的150mL的锥形瓶中准确移取25ml蔗糖溶液，在另一试剂瓶中置入一些4 mol·dm-3 HCl，将两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时，然后准确移取25mL已恒温的HCl，注入到已恒温的25mL蔗糖溶液中，待移液管中的HCl流出一半时开始记时，将混合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管23次，然后将反应液装满样品管，盖

11、好盖子并擦净。立即放入旋光仪内，测量各时间的旋光度。第一个数据要求离开始起反应的3min内记录，测量时将三分视野调节暗度相等后，先记录时间，再读取旋光度。为了多读一些数据，反应开始15min内，每分钟测量一次，以后由于反应物浓度降低，一直测量到出现旋光度负值为止。反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放长。 4、实验安排如下：第一组第二组第三组第四组T（K)303.15313.15303.15308.15303.2308.15308.15313.15蔗糖浓度5g/100ml5g/100ml10g/100ml10g/100ml5g/100ml5g/100ml5g/100ml5g/100ml盐

12、酸浓度2mol/L2mol/L4mol/L4mol/L4mol/L4mol/L2mol/L2mol/L 5、a¥的测定将剩余的反应液放置48 hr后，在相同温度下测定溶液的旋光度，即为a¥值，为了缩短时间，还可将剩余的反应液和样品管中的反应液混合置于50°60水浴上温热30min，使其加速反应至完全，然后冷却至原来温度，再测此溶液的旋光度，观察读数是否稳定，若稳定，即为a¥值。注意水浴温度不可过高，否则将产生副反应，颜色变黄。加热过程亦应避免溶液蒸发影响浓度，影响a¥的测定。 6、a0的测定（近似） 取25ml蔗糖溶液加入25ml纯净水，混合均

13、匀后测量旋光度。 由于酸会腐蚀旋光仪的金属套，因此实验一结束，必须用水将管洗净。五、 结果与讨论1、 实验结果：30以及35下旋光度时间图像30以及35下t图像：2、 不同条件下的结果。（部分数据来自于同组的其他同学）由上表可以粗略的得出以下结论，高HCl浓度可以显著降低反应活化能，同时由马凯玥以及李旭文的数据可以得出：相同催化剂（HCl）浓度下，反应的半衰期随温度的升高有显著的降低，化学反应速率常数显著升高（由于数据量少，无法准确确定半衰期以及速率常数与温度呈何种关系）。六、 误差分析经分析本实验的误差主要来源于以下几个方面：1) 随机误差由于测量性质的限制，所有的结果只能经行单次测量，以致

14、使所得到的结果存在较大的偶然误差2) 系统误差实验用的旋光度测量仪是用电机传动来测量反应体系的旋光度的，然而从仪器检测到偏振光没有被接收到调整到接收到需要一定的时间，由于整个反应过程中体系的旋光度是一直在变化的，故仪器 始终出于调整状态，因此我们所读到的旋光度数据与真实值是有一定偏离的，这个会给实验带来一定的不确定性。3) 原理上的近似误差理论上该反应为三级反应，是将氢离子作为催化剂并假设其浓度不发生变化，并且假设反应物水是过量的，才将其简化为准一级的反应。而实际上在管状容器中氢离子浓度与水相的比重不会总是完全均匀的，也不会是一直不变的。这种近似会带来不可避免的理论误差。另外，实验中，的值应该

15、取反应完全的时候的测量值，然而实验过程中取的是在60下反应30min后的值，与实际所需测量值有一定差别。关于活化能的计算，由于反应活化能是会随温度有一定变化的，反而实际计算活化能的时候是默认活化能为一定值，这种假设会给实验带来一定的误差。4) 数据来源于五个人，五台不同的仪器，以至于不能排除因次原因带来的数据测量值得偏差。七、 实验小结本实验中，旋光度为反应浓度显著的特征物理量，实验通过测量反应体系旋光度随时间的变化情况，间接的了解了浓度随时间的变化情况，从而测出了化学反应常数、活化能等重要的物理量，是一种很有用的方法，这种思想在很多类实验中均有体现，类似的有通过电导率时间关系推知浓度时间关系

16、等等，是一种非常有用的实验方法。另外感谢老师以及助教的耐心指导！八、 参考资料物理化学实验 崔献英等编著 中国科学技术大学出版社（2000.4）物理化学 傅献彩 等编 高等教育出版社（2005.7）附录：数据处理部分1、 实验条件T=22.3 P=102.48Ba2、 原始数据30，100g/L蔗糖溶液，4moldm-3HCl35，100g/L蔗糖溶液，4moldm-3HClt（min）Ln（t-）t（min）Ln（t-）53.8851.71824.451.82063.471.64042.871.52473.081.56252.241.37682.711.48161.6751.22292.37

17、1.40071.21.072102.051.31880.80.924111.7651.23990.430.765121.481.153100.130.615131.2551.07911-0.120.470140.980.98112-0.3450.318150.7850.90513-0.550.157160.580.81814-0.670.049170.390.73115-0.845-0.134180.2050.63816-0.98-0.301190.0450.54917-1.089-0.46020-0.070.48118-1.175-0.60721-0.2150.38719-1.245-0.74422-0.3650.27920-1.3-0.86823-0.4850.18421-1.37-1.05024-0.5750.10622-1.425-1.22125-0.6850.00223-1.465-1.36626-0.77-0.08724-1.505-1.53727-0.87-0.202-1.7228-0.945-0.29829-1.01-0.39030-1.085-0.50731-1.135-0.