实验十六 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

深圳大学实验报告课程名称：物理化学实验（2）实验项目名称：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数学院：化学与化工学院专业：指导教师：报告人：学号：班级：实验时间：2012.12.07实验报告提交时间：2012.12.24教务部制Ⅰ、目的要求1、测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。2、了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系。3、了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法。Ⅱ、实验仪器与实验试剂WZZ-2B自动旋光仪样品管秒表恒温槽量筒锥形瓶蔗糖20克/100ML盐酸3NⅢ、实验原理蔗糖在水中水解成葡萄糖的反应为：C12H22O11+H2O→C6H12O6(葡萄糖)+C6H12O6（果糖）为使水解反应加速，反应常数以H3O+为催化剂，故在酸性介质中进行水解反应中。在水大量存在的条件下，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：LnC=-kt+LnC0式中：C为反应开始时蔗糖的浓度；C0为t时间时的蔗糖的浓度。当C=1/2C0时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期。

t1/2=Ln2/k上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速率常数k，而与起始无关，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，如测定体系的旋光度的改变就可以量度反应的进程。而溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、液层厚度、光源波长及反应温度等因素有关。为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度[α]这一概念，并表示为：[α]D=α*100/(L*C)式中：t为实验时温度；D为实验温度为20℃，所用钠灯光源D线，波长589nm，αα=βCβ在一定条件下是一常数。蔗糖[α]=66.5°,葡萄糖[α]=52.0°，果糖[α]=-91.9°，式中整个反应过程中，旋光度由右旋向左旋变化（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——加和性），且当温度及测定条件一定时，其旋光度与反应物浓度有下列关系：反应时间为0时:

α0=β反C0反应时间为t时:

αt=β反C+β生（C0-C）反应时间为∞时:

α∞=β生C0式中α0、αt、α∞为反应时间为0、t、∞时的溶液的旋光度。联立以上三式：Ln(αt-α∞)=-kt+Ln(α0-α∞)整理即为：Ln(αt-α∞)-Ln(α0-α∞)=-kt由上式可以看出，以Ln(αt-α∞)对t作图可得一直线，由截距可得到α0值,由直线斜率即可求得反应速度常数k。Ⅳ、实验步骤1、从烘箱中取出锥形瓶。恒温槽调至55℃。2、开启旋光仪电源。按下“光源”和“测量”。预热10分钟后，洗净样品管，然后在样品管中装人蒸馏水，测量蒸馏水的旋光度，之后清零。3、量取蔗糖和盐酸溶液各50毫升至干净干燥的锥形瓶，盐酸倒入蔗糖中，摇匀，然后迅速用此溶液洗涮样品管3次，再装满样品管，放入旋光仪中，开始记时。将锥形瓶放入恒温槽中加热，待30分钟后取出，冷却至室温。4、记时至2分钟时，按动“复测”，记录。如此，每隔2分钟测量一次，直至30分钟（注意：数值为正值时使用“+复测”，数值为负值时使用“-复测”）。5、倒去样品管中的溶液，用加热过的溶液洗涮样品管3次，再装满样品管，测其旋光值，共测5次，求平均值。6、实验结束，洗净量筒和锥形瓶，放入烘箱中干燥。严格洗净样品管，注入蒸馏水，放入旋光仪。Ⅴ、实验数据记录实验室温度：22.8℃压强：101.59kPaαo＝

＋1.460α∞＝

－0.380

、－0.380、－0.385

、－0.385、－0.385。α∞平均=－0.383时间/min.24681012141618αt/度＋7.660＋7.485＋7.205＋6.885＋6.615＋6.255＋5.970＋5.650＋5.330时间/min.202224262830αt/度＋5.015＋4.740＋4.425＋4.110＋3.795＋3.525＋3.210ⅤI、实验数据处理与分析由Excel文件，填入t、αt和α∞数据，计算Ln（αt-α∞），作αt～t曲线和Ln（αt-α∞）～t直线，由Ln（αt-α∞）～t直线的斜率求出速率常数k，进而求出反应的半衰期t1/2，数据及图表如下所示：时间/min.旋光度αtLn(αt-α∞)平衡旋光度α∞27.6602.0848α∞１-0.38047.4852.0628α∞２-0.38067.2052.0266α∞３-0.38586.8851.9835α∞４-0.385106.6151.9456α∞５-0.385126.2551.8928α∞平均-0.383145.9701.8489直线斜率165.6501.7972-0.02603185.3301.7427速率常数/min-1.205.0151.68600.02603224.7401.6337半衰期/min.244.4251.570326.63264.1101.5025283.7951.4298303.5251.3630图表如下所示：Ⅶ、实验思考1、实验中，为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点?在蔗糖转化反应过程中，所测的旋光度αt是否需要零点校正?答：蒸馏水无旋光性，可用来消除旋光仪的系统误差；而在实验中，所测的旋光度αt可以不校正零点，因为αt-α∞已将系统的零点误差消除掉。

若需要精确测量α的绝对值，则需要对仪器零点进行校正，因为仪器本身有一系统误差；水本身没有旋光性，故可用来校正仪器零点。本实验测定k不需要对α进行零点校正，因为αt，α∞是在同一台仪器上测量，而结果是以ln(αt－α∞)对t作图求得的。2、在混合蔗糖溶液时，我们是将HCL溶液加到蔗糖溶液中去的，可否将蔗糖加到HCL溶液中？答：不能，因为将反应物蔗糖加入到大量HCL溶液时，一旦加入则马上会分解产生果糖和葡萄糖，则在放出一半开始时，已经有一部分蔗糖产生了反应，记录t时刻对应的旋光度已经不再准确。反之，将HCL溶液加到蔗糖溶液中去，由于H+的浓度小，反应速率小，计时之前所进行的反应的量很小。Ⅷ、实验讨论实验中没有对旋光仪进行零点校正，直接做实验，结果验证了思考题的回答，实验结果良好，从实验操作说明了问题。实验的关键是实验的反应温度。因为温度对反应速率常数影响很大，所以严格控制反应温度是做好本实验的关键。实验的温度是室温，为22.8℃。因为溶液在旋光仪中的时间比较长，主要看旋光仪里面的温度稳定性。实验中只测定一个温度下的反应速率常数，故无法利用阿伦尼乌斯公式计算反应的平均活化能。但是由excel数据处理，αt～t曲线线性关系良好，y=-0.152x+8.077，R2=0.999，相关性很高，蔗糖反应为一级反应。Ln（αt-α∞）～t直线的线性关系为y=-0.026x+2.188，R2=0.988，得到该温度下的速率常数。实验的平衡旋光度α∞平均为-0.383，说明蔗糖已反应完全，体现出果糖的左旋性，且在这个反应中温度不宜过高，否则有副反应出现，溶液变黄。因为蔗糖是由葡萄糖的苷羟基与果糖的苷羟基之间缩合而成的二糖。在H+离子催化下，除了苷键断裂进行转化反应外，由于高温还有脱水反应。这就会影响测量结果。5、蔗糖在纯水中水解速率很慢，但在催化剂作用下会迅速加快，其反应速率大小不仅与催化剂种类有关而且与催化剂的浓度有关。

实验结论：本次实验利用旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数，实验在室温条件下用旋光仪测定溶液的旋光值随时间变化监测反应进程，进而通过公式得到反应速率常数。实验测得αt～t的线性关系式为y=-0.152x+8.077，R2=0.999；Ln（αt-α∞）～t直线的线性关系为y=-0.026x+2.188，R2=0.988得到线性关系相关关系相对比较强，数据是可靠的。实验中的蔗糖转化反应是一级反应，直接体现在旋光度与时间的关系为线性关系，继而得到Ln（αt-α∞）～t的线性关系，其直线斜率为-0.026，则得到的反应在该温度下的速率常数为0.026/min-1，继而求得半衰期为26.63/min-1。实验的结果数据比较好，实