蔗糖水解反应速度常数的测定

1、实验七 蔗糖水解反应速度常数的测定一、实验目的1根据物质的光学性 质研究蔗糖水解反 应，测定其反应速度常数。2了解旋光仪的基本原理、掌握使用方法。3学习用 Origin 或 Excel 处理实验数据。二、实验原理蔗糖在水中水解成葡萄糖与果糖的反应为：C12 H 22 O11 +H 2OH +C6H12 O6 +C6 H12 O6蔗糖葡萄糖果糖为使水解反 应加速，反应常常以 H3O+作催化 剂，故在酸性介质中进行。水解反应中水是大量的，反 应达终点时虽有部分水分子参加反 应，但与溶质浓度相比可 认为它的浓度没有改 变，故此反应可视为一级反应，其动力学方程式 为：- dc =kc（7-1）dt或k

2、= 1 ln c0t c（7-2）-52- 这一概念并以式中：c0 为反应开始时蔗糖的浓度，c 为时间 t 时蔗糖的浓度。当 c=c 0 /2 时，t 可用 t1/2 表示，即为反应的半衰期。t1/2 =ln2（7-3）k上式说明一级反应的半衰期只决定于反 应速度常数 k 而与反应物起始浓度无关，这是一级反应的一个特点。蔗糖及其水解 产物均为旋光物 质。当反应进行时，如以一束偏振光通 过溶液则可观察到偏振面的 转移。蔗糖是右旋的，水解的混合物中有左旋的，所以偏振面将由右 边旋向左 边。偏振面的转移角度称之 为旋光度，以 表示。因此可利用体系在反 应过程中旋光度的改 变来量度反 应的进程。溶液的

3、旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、液层厚度、光源的波长以及反应时的温度等因素有关。为了比较各种物质的旋光能力引入比旋光度下式表示t（7-4）D =l c式中，t 为实验时 的温度；D 为所用光源的波 长，为旋光度，l为液层厚度（常以 10cm 为单位）；c为浓度（常用100mL 溶液中溶有 m 克物质来表示），式可写成：-53-或（7-5）100D =l mt= D l c由（7-5）式可以看出，当其他条件不变时，旋光度与反应物浓度成正比，即=Kc（7-6）式中 K 是与物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关系的常数。蔗糖是右旋性物 质（比旋光度20D =6

4、6.6 ，产物中葡萄糖也是右旋性物质（比旋光度20D =52.5 ）果糖是左旋性物质（比旋光度20D =-91.9 ），因此当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时体系变成左旋。因为上述蔗糖水解反 应中，反应物与生成物都具有旋光性。 旋光度与浓度成正比且溶液的旋光度 为各组成旋光度之和（加合性）。若反应时间为 0、t、时溶液的旋光度各 为 , ，则可导出：0t1-k=ln0（7-7）t-可改写为ln(- )=-kt+ln( - )（7-8）t0-54-由（7-8）式可以看出如以 ln( t- ) 对 t 作图可得一直 线，由直线的斜率即可求得反 应速度常数 k。本实验就是用旋光 仪测定

5、, 值、通过作图由截距可得到 。t0三、仪器和试剂旋光仪 1 台；停表 1块；旋光管（带有恒温水外套）恒温槽 1 套；1 支；容量瓶（50mL ）1 个；电子天平 1 台；锥形瓶（100mL）2 个；移液管（25mL）2 支；烧杯（100mL、500mL）各1 个；2 mol/L HCI 溶液；蔗糖（分析纯）。四、操作步骤1将恒温槽调节 到 25 恒温，然后将旋光管的外套接上恒温水，如 图 7.l。2旋光仪零点的校正图 71.打开旋光 仪电源开关，预热 10min。洗净旋光管各部分零件，-55-将旋光管一端的盖子旋 紧，向管内注入蒸馏水，取玻璃盖片沿管口轻轻推入，盖好后再旋 紧套盖（操作时不要

6、用力 过猛，以免压碎玻璃片），勿使其漏水或有气泡产生。用滤纸或干布擦 净旋光管两端玻璃片，并放入旋光 仪中，盖上槽盖，调节目镜使视野清晰，然后旋转检偏镜，使在视野中能观察到明暗相等的三分 视野为止（注意：在暗视野下进行测定），记下刻度 盘读数，重复操作三次，取其平均值此即为旋光仪的零点。测毕取出旋光管，倒出蒸 馏水。3蔗糖水解过程中 t的测定用移液管取 25mL 蔗糖溶液和 25mL2 mol/L HCI 溶液分别注人两个 100mL 干燥的锥形瓶中，并将此二锥形瓶同时置于恒温槽中恒温 1015 分钟。待恒温后将 HCI 溶液加到蔗糖溶液的 锥形瓶中混合，并在 HCI 溶液加人一半 时开动停表

7、作为反应的开始时刻，不断振荡摇动，迅速取少量混合液清洗旋光管二次，然后将此混合 液注满旋光管，盖好玻璃片旋 紧套盖（检查是否漏气和是否有气泡），擦净旋光管两端玻璃片，立刻置于旋光 仪中盖上槽盖。测量各时间 t 时溶液的旋光度 t，测定时要迅速准确。当三分 视野暗度 调节相同后，先记下时间再读取旋光度数 值。可在测定第一个旋光度数 值之后的 5、10、15、20、30、45、65 和 90min 各测一次。-56-4 的测定为了得到反 应终了时的旋光度 ，将步骤 3 中的混合液保留好，48h 后重新恒温 观测其旋光度，此值即为 。也可将剩余的混合液置于 60 左右的水浴中温 热 30min，以加

8、速水解反应，然后冷却至实验温度。按上述操作，测其旋光度，此值即可认为是 。需要注意的是 测到 30min 后，每次测量间隔时应将钠光灯熄灭，以免因长期过热使用而损坏，但下一次测量之前提前 10min 打开钠光灯，使光源稳定。另外，实验结 束时应立刻将旋光管洗 净擦干，防止酸对旋光管腐 蚀。五、数据记录和处理将实验数据记录于表 7.1 中。表 7.1 不同反应时间的旋光度 值室温：，大气压：mmHg实验温度： ；盐酸浓度：mol/L ；仪器零点：反应时间 /t /( t- ) /ln( t- )min-57-1以ln(t- ) 对 t 作图，由所得直线之斜率求 k 值。2计算蔗糖水解反 应的半衰

9、期 t1/2 。六、实验注意事项1蔗糖在配制溶液前，需先 经 100干燥 12 小时。2在测量蔗糖水解速度前， 应熟练的使用旋光 仪，以保证在测量时能正确准确的 读数。3旋光管管盖旋 紧至不漏水即可，太紧容易损坏旋光管。4旋光管管中不能有气泡存在。5旋光仪的钠光灯若较长时间 不用，应熄灭灯源，以保护钠光灯。6反应速度与温度有关，因此在整个 测量过程中应保持温度的恒定。7测量完毕应立即洗净旋光管，以免酸对旋光管的腐 蚀。-58-七、思考题1为什么可用蒸 馏水校正旋光 仪的零点？2在旋光度的测量中为什么要对零点进行校正？它 对旋光度的精确测量有什么影响？ 进行校正对本实验结果是否有影响？3记录 反

10、应开始的 时间晚了一些，是否影响 k 值的测量？为什么？附录：旋光仪的原理与使用1旋光现象和旋光度一般光源 发出的光，其光波在垂直于 传播方向的一切方向上振动，这种光称 为自然光，或称非偏振光 ;而只在一个方向上有振动的光称为平面偏振光。当一束平面偏振光通 过某些物质时，其振动方向会发生改变，此时光的振动面旋转一定的角度，这种现象称为物质的旋光现象，这种物质称为旋光物质。旋光物质使偏振光振动面旋转的角度称 为旋光度。尼柯尔 (Nicol)棱镜就是利用旋光物质的旋光性而 设计的。2旋光仪的构造原理和 结构旋光仪的主要元件是两 块尼?1a? ? ? ? ?1a-59-?o? ?2?图 7.2柯尔棱

11、镜。尼柯尔棱镜是由两 块方解石直角棱 镜沿斜面用加拿大树脂粘合而成，如图 7.2 所示。当一束 单色光照射到尼柯 尔棱镜时，分解为两束相互垂直的平面偏振光，一束折射率 为 1.658 的寻常光，一束折射率 为 1.486 的非寻常光，这两束光线到达加拿大 树脂粘合面 时，折射率大的寻常光 (加拿大树脂的折射率 为 1.550)被全反射到底面上的墨色涂 层被吸收，而折射率小的非 寻常光则通过棱镜，这样就获得了一束单一的平面偏振光。用于 产生平面偏振光的棱 镜称为起偏镜，如让起偏镜产生的偏振光照射到另一个透射面与起偏 镜透射面平行的尼柯尔棱镜，则这束平面偏振光也能通 过第二个棱 镜，如果第二个棱镜

12、的透射面与起偏 镜的透射面垂直，则由起偏镜出来的偏振光完全不能通 过第二个棱 镜。如果第二个棱 镜的透射面与起偏 镜的透射面之 间的夹角在 090之间，则光线部分通 过第二个棱 镜，此第二个棱 镜称为检偏镜。通过调节检 偏镜，能使透过的光线强度在最强和零之 间变化。如果在起偏镜与检偏镜之间放有旋光性物质，则由于物 质的旋光作用，使来自起偏 镜的光的偏振面改 变了某一角度，只有 检偏镜也旋转同样的角度，才能 补偿旋光 线改变的角度，使透 过的光的 强度与原来相同。旋光 仪就是根据 这种原-60-理设计的。如图 7.3 所示。通过检偏镜用肉眼判断偏振光通 过旋光物质前后的 强度是否相同是十分困 难

13、的，这S-钠光光源，N1-起偏镜，N2-石英片，P-旋样会产生较大的误差，为此设计了一种在 视野中分出三分 视界的装置，原理是：在起偏镜后放置一 块狭长的石英片，由起偏 镜透过来的偏振光通 过石英片时，由于石英片的旋光性，使偏振旋转了一个角度 ，通过镜 前观察。图 7.4 三分是通过起偏镜的偏振光的振 动方向，A是又通 过石英片旋转一个角度后的振 动方向，此两偏振方向的 夹角 称 为半暗角-61-( =23)，如果旋转检偏镜使透射光的偏振面与 A平行 时，在视野中将 观察到中 间狭长部分较明亮，而两旁 较暗，这是由于两旁的偏振光不 经过石英片，如图 7.4(b)所示。如果检偏镜的偏振面与起偏镜

14、的偏振面平行 (即在 A 的方向时)，在视野中将是中 间狭长部分较暗而两旁 较亮，如图 7.4(a)。当检偏镜的偏振面 处于 /2 时，两旁直接来自起偏 镜的光偏振面被 检偏镜旋转了 /2，而中间被石英片转过角度 的偏振面 对被检偏镜旋转角度 /2，这样中间和两边的光偏振面都被旋 转了 /2，故视野呈微暗状 态，且三分视野内的暗度是相同的，如 图 7.4(c)，将这一位置作 为仪器的零点（暗视场），在每次测定时，调节检 偏镜使三分 视界的暗度相同，然后 读数。3影响旋光度的因素(1)溶剂的影响旋光物 质的旋光度主要取决于物 质本身的 结构。另外，还与光线透过物质的厚度，测量时所用光的波 长和温

15、度有关。如果被测物质是溶液，影响因素 还包括物 质的浓度，溶剂也有一定的影响。因此旋光物质的旋光度，在不同的条件下， 测定结果通常不一样。因此一般用比旋光度作 为量度物质旋光能力的 标准，其定义式-62-为：tD =式中 D 表示光源，通常为钠光 D 线（=589nm ），t为实验温度，为旋光度，l 为液层厚度，单位为分米，c 为被测物质的浓度(以每100mL 溶液中含有 样品的克数表示 )，在测定比旋光度 值时，应说明使用什么溶 剂，如不说明一般指水 为溶剂。(2)温度的影响温度升高会使旋光管膨 胀而长度加长，从而导致待测液体的密度降低。另外，温度 变化还会使待 测物质分子间发生缔合或离解，

16、使旋光度发生改变。通常温度对旋光度的影响，可用下式表示：tD = 20D +Z(t-20)式中 t 为测定时温度，Z 为温度系数。不同物 质的 Z 值不同，一般在 (0.01 0.04) / C 之间。为 此在实验测 定时必须恒温，旋光管上装有恒温 夹套，与超级恒温槽连接。(3)浓度和旋光管 长度对比旋光度的影响在一定的 实验条件下，常将旋光物 质的旋光度与 浓度视为成正比，因为将比旋光度作 为常数。而旋光度和溶液 浓度之 间并不是严格地呈 线性关系，因此严格讲比旋光度并非常数，在精密的-63-测定中比旋光度和 浓度间的关系可用下面的三个方程之一表示：tD =A+BqtD =A+Bq+Cq 2tD =A+ BqC+q式中 q 为溶液的百分 浓度；A、B、C 为常数，可以通过不同浓度的几次 测量来确定。旋光度与旋光管的长度成正比。旋光管通常有10cm、20cm、22cm 三种规格，经常使用的有 10cm 长度的。但对旋光能力 较弱或者 较稀的溶液， 为提高准确度，降低 读数的相 对误 差，需用 20cm 或 22cm 长度的旋光管。4旋光仪的使用方法接通电源（220V），打开钠光灯，稍等几分钟，待光源稳定后，从目镜中观察视野，如不清楚可调节目镜焦距。