实验十蔗糖水解反应速度常数的测定

1、实验十二 蔗糖水解反应速率常数的测定一 实验目的1. 测定蔗糖水解反应速率常数和半衰期 2. 了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的使用方法二 实验原理反应速率与反应物浓度一次方成正比的反应称一级反应，其速率方程为： = （12-1）式中是反应物时刻的浓度。是反应速率常数。积分上式得： ln= （12-2）式中为=0时刻的反应物浓度。一级反应具有以下两个特点： 以ln对作图，可得一直线，其斜率=。 反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，以1/2表示。将=1/2代入（12-2）式，得一级反应的半衰期为 1/2 = （12-3）（12-3）式说明一级反应的半衰期1/2只决定于反应速率常数，而与反应物起始

2、浓度无关。蔗糖在酸性溶液中的水解反应为：C12H22O11（蔗糖）+H2O C6H12O6（葡萄糖）+ C6H12O6（果糖）实验表明，该反应的反应速率与蔗糖、水和氢离子三者的浓度均有关。在氢离子浓度不变的条件下，反应速率只与蔗糖浓度和水的浓度有关，但由于水是大量的，在反应过程中的水浓度可视为不变。在这种情况下，反应速率只与蔗糖浓度的一次方成正比，其动力学方程式符合（12-1）式，所以此反应视为一级反应。蔗糖及其水解产物是旋光性物质。本实验就是利用反应体系在水解过程中是旋光性质的变化来跟踪反应进程。所谓物质的旋光性是指它们可以使一束偏振光的偏振面旋转一定角度，所旋转的角度称旋光度。对含有旋光性

3、物质的溶液，其旋光度的大小与旋光性物质的本性、溶剂、入射光波长、溶液的浓度和厚度以及温度等因素有关。为了比较不同物质的旋光能力，引入了比旋光度这一概念，其定义式为： = （12-4）式中t为实验温度（），D为光源的波长（常用钠黄光，=589nm），为旋光度，l为溶液的厚度（dm），c为浓度（每ml中所含的物质的质量（克）。蔗糖、葡萄糖和果糖的比旋光度分别为：蔗糖=66.65º， 葡萄糖=52.5º，果糖为=-91.9º。正值表示右旋，负值表示左旋。由于果糖的左旋性大于葡萄糖右旋性，因此随着水解反应的进行，产物浓度的增加，反应体系的旋光度将由正值经零变为负值，即反应

4、体系由右旋性逐渐变为左旋性。以下导出（12-2）式中蔗糖的浓度 c0、c与物质的浓度成正比。即 = (12-5) 式中=。因旋光度具有加和性，所以溶液的旋光度为各组分的旋光度之和。设反应时刻为0、t和时，溶液旋光度分别为0、t和，则:= (12-6)= (12-7)= + (12-8)式中= (蔗糖)；= (葡萄糖)+ (果糖)。由（12-6）、（12-7）式可得：-=（-） （12-9） -=（-） （12-10）(12-9)式除以（12-10）式，得 （12-11） 将(12-11)式代入（12-2）式，得 = （12-12）改写成:ln(-)= - + ln(-) （12-13） (12

5、-13）式可以看出以ln(-) 对作图可得一直线，由直线的斜率=-即可求得反应速率常数，由截距可得到。三 仪器与药品WZZ-I型自动指示旋光仪 1台20cm旋光管（带有恒温水外套） 1个恒温槽 1个上皿天平 1台移液管（25ml） 2个烧杯（50ml、500ml） 各1个双叉管 1支2mol·L-1 HCI溶液蔗糖（A·R） 四 实验步骤1. 将恒温槽调节至20恒温。 2. 用上皿天平称10克蔗糖溶于蒸馏水中，到入50ml容量瓶，并稀释到刻度（蔗糖完全溶解，若溶液浑浊需进行过滤），用移液管取25ml蔗糖溶液和25ml的2mol·L-1 HCI溶液分别注入双叉管的两

6、个叉管中（注意勿使两溶液混合），然后盖上胶塞，将此双叉管置于恒温槽中恒温。 3. 旋光仪零点的校正 打开旋光仪开关预热（使用方法见本实验“附录”）。洗净旋光管的各部件，注入蒸馏水使液体在管口形成一凸面，将玻璃片从正上方盖下，再盖上盖，用螺帽旋紧，勿使漏液或有气泡形成(若有小气泡，将其赶到旋光管的扩大部分)，注意旋拧螺帽时不要过分用力，以不漏为准。用滤纸擦净旋光管两端玻璃片，然后放入旋光仪中，重复测定三次，取平均值，此时为旋光仪的零点。将旋光管的蒸馏水倒掉，擦干待用。4. 的测定待双叉管恒温后（不能少于10分钟），摇动双叉管使两种溶液充分混合，迅速用少量混合液清洗旋光管二次，然后将此混合液注满旋

7、光管，盖好盖子（检查是否漏液和形成气泡），擦净旋光管两端玻璃片，立即置于旋光仪中，记下时间，测定其旋光度。在测定第一旋光值之后的第5分钟、10分钟、20分钟、30分钟、50分钟、75分钟、100分钟各测定一次。5. 的测定为了得到反应终了时的旋光度，将步骤4中的剩余混合液保存好，置于5060的水浴中温热30分钟，使水解完全。然后冷却至实验温度，再按上述操作，将此混合液装入旋光管，测其旋光度，此值即可认为是。实验结束后应立即将旋光管洗净擦干，防止酸对旋光管的腐蚀和蔗糖对玻璃片、盖套的粘合，双叉管洗净后放入烘箱中烘干。五 注意事项 1. 温度对反应速度影响较大，所以整个过程应保持恒温。用水浴加热反

8、应液测时，温度不宜过高，以免产生副反应，溶液变黄，加热过程应同时避免溶液蒸发使糖的浓度改变，从而影响的测定。2. 由于反应初始阶段速率较快，旋光度变化大，一定要注意时间的准确性。3. 根据反应温度，可适当增加HCI的浓度，以缩短反应时间。六 数据记录与处理 1. 将所测的实验数据记录于下表中 实验温度：_ ；HCI 浓度：_ mol·L-1 ; 零点_； _ 反应时间/min-ln(-)2.ln(-)对t作图，由所得直线的斜率求出k，由截距求出o。1. 计算蔗糖水解反应的半衰期t1/2。附录 WZZ-1型自动指示旋光仪 许多物质具有旋光性，如蔗糖、葡萄糖、果糖的溶液等。当平面偏振光通

9、过具有旋光性的物质时，可使偏振光的振动面旋转某一角度，可使偏振光的振动面向左旋转的物质称为左旋物质，向右旋转的物质称为右旋物质。图12-1 尼科尔棱镜起偏振原理图一 构造原理图12-2 WZZ-1型旋光仪结构示意图1-光源；2-光栅；3-透镜；4-起偏镜；5-磁旋线圈；6-样品管；7-滤色片；8-检偏镜；9-光电倍增管；10-前置放大；11-选频放大；12-功率放大；13-伺服电机；14-涡轮涡杆；15-读数气；16-自动高压一般光源发出的光，其光波在与光传播方向垂直的一切可能方向上振动，这种光称自然光，只在一个固定方向上振动的光称为偏振光。一束自然光以一定角度进入尼科尔（Niol）棱镜（由两

10、块直角棱镜组成）后，可分解成两束振动面垂直的平面偏振光（见图12-1）。由于折射率不同，两束光经过第一块棱镜而到达棱镜与加拿大树胶层的界面时，折射率大的一束光被全反射，并由棱镜框子上的黑色涂层吸收。另一束光可以通过第二块棱镜，从而在尼科尔棱镜的出射方向上得到一束单一的平面偏振光。这个尼科尔棱镜称为起偏镜。当一束平面偏振光照射到尼科尔棱镜上时，若光的振偏面与棱镜的主截面一致，即图12-3WZZ-1型旋光仪工作原理示意图可全透过；若两者成垂直，光被反射。当两者的夹角在090°之间时，则透过棱镜的光强度发生衰减，使用尼科尔棱镜又可以测出偏振光的偏振面方向，此时的尼科尔棱镜称为检偏镜。图12

11、-4 WZZ-1 型旋光仪面板示意图1- 电源；2-光源；3-示数；4-复测；5-调零手轮。旋光仪就是利用起偏镜和检偏镜来测定旋光度的。图12-2是WZZ-1型自动指示旋光仪结构示意图。以钠光灯作为光源，它发射波长为589.3nm的单色光。通过光栅2和物镜3变成平行光。平行光通过起偏镜4变为平面偏振光。其振动平面为图12-3中的OO面。若起偏镜与检偏镜8的光轴PP相互垂直（即图中（a）所示），则无讯号传至光电倍增管，此即光学图12-3WZZ-1型旋光仪工作原理示意图零点。当偏振光通过磁旋线圈时，由于法拉第效应，其偏振面便会产生角的往复摆动（如图(b)所示），其频率为50Hz。在光学零点可得到1

12、00Hz的光电讯号。如果在光路上放入旋光性样品，则偏振面由OO偏转至 OO，偏转角为角（如图（c）所示）。此时得到50Hz的光电讯号。因为两光轴不再垂直，因此此讯号可传至光电倍增管，通过放大装置，正好使伺服电机启动，带动涡轮涡杆，将起偏镜反向转动角（如图（d）所示），仍回到光学零点。通过读数器显示出来，此即样品的旋光度。仪器中的滤色片是用来消除杂散光进入光电倍增管。二 使用方法1. 开电源开关1（见图12-4），经5分钟预热使钠光灯稳定后即可工作。将蒸馏水装入洗净的旋光管中，旋上螺帽，用滤纸擦干两端通光面上的水。螺帽不宜旋得过紧。旋光管中应尽量避免有气泡。若有气泡，应使其浮于凸出处，以免影响读数，将旋光管放入样品室中，盖上室盖。2. 打开示数开关。将光源开关板向直流。若此时灯灭，则将光源开关上下板动数次，使钠光灯在直流电下工作。调节零位手轮，使读数器上指示值为