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：

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：

                              （7-1）

或                                          （7-2）

式中：为反应开始时蔗糖的浓度，为时间时蔗糖的浓度。当时，可用表示，即为反应的半衰期。

                           （7-3）

上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数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这一概念并以下式表示

             （7-4）

式中,为实验时的温度；为所用光源的波长，为旋光度,为液层厚度（常以10为单位）；为浓度（常用100溶液中溶有克物质来表示），式可写成：

               

或                                        （7-5）

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

               （7-6）

式中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，产物中葡萄糖也是右旋性物质（比旋光度）果糖是左旋性物质（比旋光度），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、、∞时溶液的旋光度各为，则可导出：

                        （7-7）

可改写为                  （7-8）

由（7-8）式可以看出如以对t作图可得一直线，由直线的斜率即可求得反应速度常数。

本实验就是用旋光仪测定值、通过作图由截距可得到。

三、仪器和试剂

四、操作步骤

1．将恒温槽调节到60℃恒温，然后将旋光管的外套接上恒温水。

2．旋光仪零点的校正

洗净旋光管各部分零件，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，遮上黑布，打开旋光仪电源开关，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．蔗糖水解过程中的测定

称取10蔗糖溶于蒸馏水中，用50容量瓶配制成溶液。如溶液混浊，需进行过滤。用移液管取25蔗糖溶液和502HCI溶液分别注人两个100干燥的锥形瓶中，并将此二锥形瓶同时置于恒温槽中恒温10～15分钟。待恒温后取25 2HCI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，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和黑布。测量各时间时溶液的旋光度，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、50、75和100分钟各测一次。

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，48小时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30分钟，以加速水解反应，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30分钟后，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10分钟打开钠光灯，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、数据记录与处理

室    温：  25   ℃，大气压：  760   mmHg

实验温度：   25 ℃；盐酸浓度：    2    ；仪器零点：-0.00

1、 以对t作图

由斜率得：k=0.01312 

半衰期： =52.831min

六、实验注意事项

1．蔗糖在配制溶液前，需先经100℃干燥1～2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。

七、思考题

1.  为什么可用蒸馏水校正旋光仪的零点？

答：反应中的溶剂为蒸馏水。用蒸馏水校正以消除溶剂旋光度的影响。

2.在旋光仪的测量中为什么要对零点进行校正？它对旋光仪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？

答：溶液的总旋光度为溶剂和溶质旋光度的加和，通过校正，消除溶剂旋光度的影响。校正零点对本实验结果无影响，但对半衰期的计算有影响。

3.记录反应开始的时间晚了一些，是否影响k值的测量？为什么？

答：有影响。K是直线斜率，

第二篇：蔗糖水解反应速率常数的测定实验报告

序号： 6   

 

物理化学实验报告

 

姓名：×××

院系：化学化工学院

班级：×××

学号：×××××××

指导老师：×××

同组者：×××××××××××

实验项目名称：蔗糖水解反应速率常数的测定

                                                                                  

一、实验目的

(1)根据物质的旋光性质研究蔗糖水解反应，测定其反应的速率常数和半衰期；

 (2)了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法。

二、实验原理

蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应方程式为

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O === C₆H₁₂O₆   + C₆H₁₂O₆

为使水解反应加速，反应常常以Ｈ⁺为催化剂，故在酸性介质中进行。由于在较稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反应达到终点时，虽有部分水分子参加反应，但可认为其没有改变。因此，在一定的酸度下，反应速度只与蔗糖的浓度有关，所有本反应可视为一级反应。该反应的速度方程为：

－=KC

积分后：  ln=Kt  或　㏑C=－k t+㏑C。                      

式中，C。为反应开始时蔗糖的浓度；C为时间t时的蔗糖浓度，K为水解反应的速率常数。

从上式中可以看出，在不同的时间测定反应物的浓度，并以㏑C_t对t作图，可得一条直线，由直线斜率即可求出反应速率常数K。然而反应是不断进行的，要快速分析出某一时刻反应物的浓度比较困难。但根据反应物蔗糖及生成物都具有旋光性，且他们的旋光性不同，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。

旋光度与浓度呈正比，且溶液的旋光度为各组分的旋光度之和（加和性）。若以α₀，α_t，α_∞分别为时间0，t，∞时溶液的旋光度，则可导出：

          C₀∝（α₀－α_∞），C_t∝（α_t－α_∞）                   

所以可以得出：

㏑（α₀－α_∞）/（α_t－α_∞）＝k t

即： ㏑（α_t－α_∞）＝－k t﹢㏑（α₀－α_∞）                                                            

上式中㏑（α_t－α_∞）对t作图，从所得直线的斜率即可求得反应速度常数K。

一级反应的半衰期则用下式求取：

                      =㏑2/k＝0.693/k       

             

三、仪器和试剂

仪器：自动指示旋光仪一台；移液管（25 mL）2支；超级恒温槽1台；烧杯（150 mL）2个；恒温水浴锅1台；吸耳球1个；秒表1块；容量瓶（50mL）1个；锥形瓶（100 mL）2个；

试剂：蔗糖（AR）；2 mol/L的盐酸溶液。

四、实验操作

1、温度设定与准备

（1）将旋光仪电源开启预热10min。

（2）将超级恒温槽的温度调节到25℃。

2、溶液配制与恒温

称取10g蔗糖于烧杯中，加蒸馏水溶解，移至50mL容量瓶定容至刻度，用移液管吸取25mL蔗糖溶液注入一锥形瓶中，将两个锥形瓶用玻璃塞或橡皮塞盖好后，置于25℃的恒温槽中恒温10~15min。

3、蔗糖水解反应过程中α_t的测定

将恒温后的两个锥形瓶取出，将HCl溶液倾倒至蔗糖溶液中。倾倒的同时，开始用秒表计时，然后将两锥形瓶互相倾倒2~3次，使溶液混合均匀。用少许混合液荡洗旋光管2~3次，然后将溶液置于旋光仪中，测试溶液的旋光度。从混合计时起，分别选择在2, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60min时处进行测定。

4、α_∞的测定

将步骤4中的剩余混合液置于50~60℃的水浴中加热30min，以加速水解反应，然后冷却至实验温度，测其旋光度，可以将该测量值做为α_∞的值。

六、数据处理

室温：23.5℃            压强：100.1KPa

反应开始温度：23.5℃    ：-2.58           ：2mol/L

表1 旋光度与时间表

以为横坐标，为纵坐标作图

图1  图

      曲线方程   ㏑（α_t－α_∞）＝3.41941562－0.01t

 对比      

可得   K=0.01

半衰期为    t_1/2  = In 2 / k = 69.3 min

六、思考题

1.蔗糖水解反应速率常数与哪些因素有关

答：水解速率常数与温度，与水的浓度和盐酸的浓度有关

2.为什么可用蒸馏水来校正旋光仪的零点？求速率常数时，所测旋光度是否必须进行零点校正？

答：因为蔗糖溶液是用蒸馏水配制的，用蒸馏水调零点已经减去了蒸馏水的影响。

3．记录反应开始的时间晚了一些，是否影响k值的测定?为什么?

    答：不会影响；因为蔗糖转化反应对蔗糖为一级反应，本实验是

以㏑（α_t－α_∞）对t作图求k，不需要α₀的数值。

4.反应开始，为什么将盐酸溶液倒入蔗糖溶液中，而不相反？

答：因为如果相反的话，当蔗糖刚到入盐酸重中时导致盐酸过量，是蔗糖迅速反应，是可测数值减少，进而影响实验结果。

5．配制蔗糖溶液时称量不够准确或实验所用蔗糖不纯对实验有什么影响?

答：此反应对蔗糖为一级反应，利用实验数据求k时不需要知道蔗糖的初始浓度。所以配溶液时可用粗天平称量。若蔗糖中的不纯物对反应本身无影影响，则对实验结果也无影响。