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。

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                                     

　　　　　　　　（蔗糖，右旋）（葡萄糖，右旋）（果糖，左旋）   （1）

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。此反应的反应速率与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂Ｈ＋的浓度有关。这个反应是二级反应。但是，此反应中有大量水的存在，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，故可视为一级反应，动力学方程

－=KC

积分后得：　　　ln=Kt  或　㏑C=－kt+㏑C。                       （2）

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。

从式（2）可以看出，在不同的时间测定反应物的浓度，并以㏑Ct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。

由于蔗糖是右旋的，水解混合物是左旋的，所以偏振面将由右边旋向左边。偏振面的转移角度称为旋转角度，以α表示。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、光源波长及反应时的温度等因素有关。当其他条件均固定时，旋光度α与浓度C呈线性关系，即：

α=βC                                                       （3）

式中β是与物质的旋光能力、溶液厚度、溶剂性质、光源波长、反应温度有关的常数。物质的旋光能力用比旋光度[α]来表示。蔗糖是右旋物质，葡萄糖也是右旋性物质，果糖是左旋性物质，他们的比旋光度为

[α蔗]=66.65°， [α葡]=52.5°，[α果]= －91.9° 正值表示右旋，负值表示左旋，D表示钠光灯源。

可见，当水解反应进行时，右旋角度不断减小，当反应终了时，体系将经过零变成左旋。

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，αt，α∞分别为时间0，t，∞时溶液的旋光度，则可导出：

      C0∝（α0－α∞），Ct∝（αt－α∞）                    （4）

将式（2）代入式（4）可得：

㏑（α0－α∞）/（αt－α∞）＝kt 或㏑（αt－α∞）＝－kt﹢㏑（α0－α∞）                                                             （5）

上式中㏑（αt－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                      （6）

三、仪器和试剂

旋光计，恒温水浴，普通水浴锅，秒表，锥形瓶（100 ml），移液管（25 ml），200g/L的蔗糖溶液，2 mol/L的盐酸溶液。

四、实验操作

1、实验准备

（1）将旋光仪电源开启预热10min，待钠光灯稳定。

（2）将恒温水浴调节到25℃恒温并将水浴锅温度调至70℃加热备用。

2、旋光仪零点调节

在旋光管中注入蒸馏水，放入旋光仪暗箱中，钠光灯稳定后，开启测量开关，调节清零键使光屏显示值为00.000。

3、蔗糖水解反应过程中αt的测定

用移液管取25 ml蔗糖溶液和25 ml盐酸溶液混合于干燥的锥形瓶中摇匀，并用混合均匀的溶液润洗旋光管。润洗结束后，将配置好的溶液注入旋光管中，盖好玻片，旋紧套盖（必须保证旋光管中没有气泡），将旋光管两端的水擦干，立刻置于旋光仪暗箱中，盖上箱盖，仪器上将显示出该样品的旋光度。同时将配置好剩余的溶液置于70℃的恒温水浴锅内保温待用。反应开始一定时间后开始计时，计时开始后每隔三分钟记录一次数据，并将数据填入表格中。

4、α∞的测定

待第三步中的数据记录完毕后，将预先放入恒温水浴锅内的溶液取出，冷却至室温，测定其旋光度，此值可认为是α∞ 。

五、数据处理

反应温度：25℃ 蔗糖浓度：200g/L  盐酸浓度：2 mol/L

（1）                用以上表格中的数据用㏑（αt－α∞）对t作图，由直线斜率求出反应速率常数K（直线斜率相反数即为速率常数K）。

由上图可知﹣k=﹣0.011，故K=0.011.

（2）由半衰期计算公式=㏑2/k＝0.693/k得=0.693/0.011=63

 六、思考题

（1）蔗糖溶液为什么可以粗略配置？

答：因为该反应为一级反应，反应物的初始浓度不影响反应速率常数且蔗糖浓度较大故只需要粗略配置即可。

（2）蔗糖的转化速率和那些因素有关？

答：转化速率和温度，浓度等因素有关。

（3）反应开始时为什么将盐酸溶液倒入蔗糖溶液中，而不是相反？

答：如果将蔗糖溶液倒入盐酸溶液中的话可能导致反应过快不利于实验数据的记录。

第二篇：8实验八蔗糖水解反应速率常数的测定

宁 波 工 程 学 院

物理化学实验报告

专业班级    化工095    姓名     何可欣      序号     09402010507            

同组姓名  吴陆萍    指导老师罗利娟、蒋仲庆  实验日期  2011.5.25          

实验名称             实验八  蔗糖水解反应速率常数的测定                           

一、实验目的

1. 了解蔗糖水解反应体系中各物质浓度与旋光度之间的关系。

2. 测定蔗糖水解反应的速率常数和半衰期。

3.了解旋光仪的基本原理，掌握其正确的操作技术。

二、实验原理

反应速率只与某反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应，速率方程可由下式表示：

—

式中c为时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。

积分可得：                      lnc=－kt + lnc₀

c₀为反应开始时反应物浓度。

当c= c₀/2时，对应t可用t_1/2表示，称为反应的半衰期，即反应物浓度反应掉一半所用时间，得一级反应的半衰期为：          t_1/2=

蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为：

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂OC₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

(蔗糖)                  (葡萄糖)     (果糖)

它属于二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常需要在H⁺离子催化作用下进行。由于反应时水大量存在，尽管有部分水分子参与反应，仍可近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，而且H⁺是催化剂,其浓度也保持不变。因此蔗糖转化反应可看作为一级反应。

蔗糖及其转化产物，都具有旋光性，而且它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应进程。

测量物质旋光度所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力，溶剂性质，溶液浓度，样品管长度及温度等均有关系。当其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度c呈线性关系，即

α=Kc

式中比例常数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，比旋光度用下式表示：

式中“20”表示实验时温度为20℃，D是指用纳灯光源D线的波长（即589毫微米），α为测得的旋光度，l为样品管长度（dm），c_A为浓度（g/100mL）。

作为反应物的蔗糖是右旋性物质，其比旋光度=66.6°；生成物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度=52.5°，但果糖是左旋性物质，其比旋光度=－91.9°。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，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α_∞。

设最初系统的旋光度为    α₀=K_反c_A,0      （t=0，蔗糖尚未水解）               （1）

最终系统的旋光度为      α_∞=K_生c_A,0      （t=∞，蔗糖已完全水解）         （2）

当时间为t时，蔗糖浓度为c_A，此时旋光度为α_t

α_t= K_反c_A+ K_生(c_A,0－c_A)                                         (3）

联立（1）、（2）、(3)式可得：

c_A,0==K^′（α₀－α_∞）                                 (4)

c_A== K^′（α_t－α_∞）                               (5)

将（4）、（5）两式代入速率方程即得：

ln(α_t－α_∞)=－kt+ln（α₀－α_∞）

我们以ln(α_t－α_∞)对t作图可得一直线，从直线的斜率可求得反应速率常数k，进一步也可求算出t_1/2。

三、实验仪器、试剂

仪器：旋光仪，停表，恒温水浴一套，移液管（50mL），磨口锥形瓶（100mL），烧杯（100mL），台秤，洗耳球

试剂：蔗糖（AR），盐酸 （3mol/L，AR）

四、实验步骤

（一）旋光仪的校正

1.了解旋光仪的构造、原理，掌握其使用方法（见附录）。

2.开启水浴恒温水槽的电源开关，并将水浴恒温槽的温度控制在60℃。

3.蒸馏水为非旋光性物质，可用来校正仪器的零点（即α=0时，仪器对应的刻度）。洗净样品管，将样品管一端盖子打开，转入去离子水，然后盖上玻璃片，此时管内不应有空气泡存在，再旋上套盖，使玻璃片紧贴旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时，不能用力过猛，以免压碎玻璃片，用滤纸擦干样品管，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。放入旋光仪，打开电源，预热5-10min，钠灯发光正常。调目镜聚焦，使视野清晰；调检偏镜至三分视野暗度相等为止，记录游标（右边）刻度为检偏镜旋角，记录仪器零点。读数注意0度以下的实际旋光度（读数-180）。读数三次取平均值，即为零点，用来校正仪器的系统误差。

（二）测定

1、 配制蔗糖溶液：用天平称取10克蔗糖放入烧杯中，加蒸馏水溶解后转移到50ml容量瓶中，稀释至刻度。

2、用50ml移液管移取50mlHCL溶液放入蔗糖水溶液，边放边振荡，当HCL溶液放出一半时按下秒表开始计时（注意：秒表一经启动，勿停直至实验完毕）。迅速用反应混合液将样品管洗涤三次后，将反应混合液装满样品管，擦净后放入旋光仪，测定规定时间的旋光度。测得第一个数据时间应该为反应开始的前三分钟内。测量时先将三分视场调节到全暗，再记录时间（注意时间要记录准确，以实际反应时间为准），后读数。分别记录5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min的旋光度。

3、α_∞的测量：测定过程中，可将剩余的反应混合物放入60℃恒温槽中加热30min，使反应充分后，冷却至室温后测定体系的旋光度，连续读数三次平均值。

由于反应液的酸度很大，因此样品管一定要擦干净后才能放入旋光仪内，以免酸液腐蚀旋光仪，实验结束后必须洗净样品管。

3．

五、数据记录与处理

实验温度： 26.4℃   ； HCl浓度： 3mol/L    ；零点：0.275       α_∞： -4.725     。

以ln（α_t—α_∞）对t作图，并由直线斜率求速率常数k₁。

斜率=-0.032316，所以k₁=0.03231 min ^-1=5.385×10^-4 s^-1

t_1/2= ln 2 /k₁ =0.693 / k₁ = 0.693 / 5.385×10^-4 =1286.9 s

六、结果与讨论

本实验是测定蔗糖水解反应速率常数，实验过程中应该注意：

1、  装样品时，旋光管管盖旋至不漏液体即可，不要用力过猛，以免压碎玻璃片。

2、  在测定α_∞时，通过加热使反应速度加快转化完全。但加热温度不要超过60℃。

大约60min后基本分解完全。

3、  由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴漏到仪器上，实验结束后必须将旋光管洗净。

七、思考题

1. 为什么可用蒸馏水来校正旋光仪的零点？

答：主要是因为蒸馏水没有旋光性，其旋光度为零，其次是因为它无色透明，方便可得，化学性质较为稳定。

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？在本实验中若不进行校正对结果是否有影响？

答：旋光仪由于长时间使用，精度和灵敏度变差，故需要对零点进行校正。若不校正会使测量值的精确度变差，甚至产生较大的误差。本实验数据处理时，用旋光度的差值进行作图和计算，仪器精度误差可以抵消不计，故若不进行零点较正，对结果影响不大。

3. 为什么配置蔗糖溶液可用上皿天平称量？

答：蔗糖水解为一级反应，反应物起始浓度不影响反应速度常数，又因为蔗糖浓度大用量较多，量值的有效数字位数较多，故不需要精确称量，只要用上皿天平称量就可以了。