实验十六 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

时间:2024.3.23

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

、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。

、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3N

、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=1/2 C0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,α为旋光度;L为液层厚度(dm);C为浓度(g*100mL-1),当其他条件不变时,即:

α= βC

β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。

、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。

、实验数据记录

实验室温度:     22.8                   压强:    101.59kPa               

αo=   +1.460         

α=    0.380    、  0.380      0.385    、  0.385       0.385  

α平均=   0.383        

ⅤI、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),作αt~t曲线和Ln(αt)~t直线,由Ln(αt)~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:

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

1、   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。

2、   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。

3、   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。

4、   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、   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。


注:1、报告内的项目或内容设置,可根据实际情况加以调整和补充。

    2、教师批改学生实验报告时间应在学生提交实验报告时间后10日内。


第二篇:蔗糖的转化实验报告详


 蔗糖的转化

                                     1319班  张柳君  201340176

实验目的

1. 测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。

2. 了解旋光仪的构造、工作原理,掌握旋光仪的使用方法。

实验原理

蔗糖转化反应为: C12H22O11 + H2O → C6H12O6   + C6H12O6

蔗糖            葡萄糖     果糖

为使水解反应加速,常以酸为催化剂,故反应在酸性介质中进行。由于反应中水是大量的,可以认为整个反应中水的浓度基本是恒定的。而H是催化剂,其浓度也是固定的。所以,此反应可视为准一级反应。其动力学方程为

                                  (1)

式中,k为反应速率常数;C为时间t时的反应物浓度。

将(1)式积分得:                                  (2)

式中,C0为反应物的初始浓度。

C=1/2C0时,t可用t1/2表示,即为反应的半衰期。由(2)式可得:

                                          (3)

蔗糖及水解产物均为旋光性物质。但它们的旋光能力不同,故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、光源波长及温度等因素有关。

为了比较各种物质的旋光能力,引入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表示:

                                 (4)

式中,t为实验温度(℃);D为光源波长;α为旋光度;l为液层厚度(m);C为浓度(kg·m-3)。

由(4)式可知,当其它条件不变时,旋光度α与浓度C成正比。即:

αKC                                (5)

式中的K是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素有关的常数。

在蔗糖的水解反应中,反应物蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α]20D =66.6°。产物中葡萄糖也是右旋性物质,其比旋光度[α]20D=52.5°;而产物中的果糖则是左旋性物质,其比旋光度[α]20D=-91.9°。因此,随着水解反应的进行,右旋角不断减小,最后经过零点变成左旋。旋光度与浓度成正比,并且溶液的旋光度为各组成的旋光度之和。若反应时间为0,t,∞时溶液的旋光度分别用α0αtα表示。则:

α0KC0 (表示蔗糖未转化)                        (6)

αKC0 (表示蔗糖已完全转化)                    (7)

式(6)、(7)中的KK分别为对应反应物与产物之比例常数。

αtKCKC0C)                            (8)

由(6)、(7)、(8)三式联立可以解得:

                   (9)

                    (10)

将(9)、(10)两式代入(2)式即得:

                   (11)

由(11)式可见,以ln(αtα)对t作图为一直线,由该直线的斜率即可求得反应速率常数k。进而可求得半衰期t1/2

根据阿累尼乌斯公式,可求出蔗糖转化反应的活化能Ea

仪器试剂

旋光仪1台;恒温旋光管1只;恒温槽1套;台称1台;停表1块;烧杯(100mL)1个;移液管(30mL)2只;带塞三角瓶(100mL)2只。

HCl溶液(4或2mol·dm-3);蔗糖(分析纯)。

实验步骤

1. 旋光仪零点的校正

洗净恒温旋光管,将管子一端的盖子旋紧,向管内注入蒸馏水,把玻璃片盖好,使管内无气泡(或小气泡)存在。再旋紧套盖,勿使漏水。用吸水纸擦净旋光管,再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净。放入旋光仪中盖上槽盖,打开光源,调节目镜使视野清晰,然后旋转检偏镜至观察到的三分视野最暗且暗度相等为止,记下检偏镜之旋转角α,重复操作三次,取其平均值,即为旋光仪的零点。

2. 蔗糖水解过程中αt的测定

用移液管取30mL蔗糖溶液置于100mL带塞三角瓶中。移取30mL2mol·dm-3HCl溶液于另一100mL带塞三角瓶中。取出两只三角瓶,将HCl迅速倒入蔗糖中,来回倒三次,使之充分混合。并且在加入HCl时开始记时,将混合液装满旋光管(操作同装蒸馏水相同)。装好擦净立刻置于旋光仪中,盖上槽盖。测量不同时间t时溶液的旋光度αt。测定时要迅速准确,当将三分视野暗度调节相同后,先记下时间,再读取旋光度。每隔一定时间,读取一次旋光度,开始时,可每2min读一次,30min后,每5min读一次。测定1h。

3. αt的测定:将步骤3剩余的混合液置于近55℃的水浴中,恒温30min以加速反应,然后冷却至实验温度,按上述操作,测定其旋光度,此值即为αt

注意事项

? 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。

? 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55℃,加热过程要防止溶剂挥发,溶液浓度变化。

? 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。

? 旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启,测量间隔较长时应关闭几min,下一次测量前5min开启使光源稳定,以免损坏。

数据处理

1. 将实验数据记录于下表:

1、列出t-αt 表,并作出相应t-αt

2. 以ln(αtα)对t作图,由所得直线的斜率求出反应速率常数k

由图知:直线斜率为0.0562,所以k=0.129

3. 计算蔗糖转化反应的半衰期t1/2

      t1/2=0.693/0.129=5.37

实验讨论

1. 测定旋光度有以下几种用途:(1)鉴定物质的纯度;(2)决定物质在溶液中的浓度或含量;(3)测定溶液的密度;(4)光学异构体的鉴别等。

2. 古根哈姆(Guggenheim)曾经推出了不需测定反应终了浓度(本实验中即为α)就能够计算一级反应速率常数k的方法,他的出发点是因为一级反应在时间tt-Δt时反应的浓度cc’可分别表示为:

cc0ekt

c0为起始浓度;

c’ =c0e-ktt

由此得ln(cc’)= - kt+ln[c0-(1- e-kt)],因此如果能在一定的时间间隔Δt测得一系列数据,则因为Δt为定值,所以ln(cc’)对t作图,即可由直线的斜率求出k

实验成败的关键

1 速率常数k与H+浓度有关,所以酸的浓度必须精确。

2 温度对K的影响不能忽视,为此实验过程应尽可能保持恒温。

3 蔗糖溶液的浓度可粗略配制,因为蔗糖溶液的浓度不影响速率常数,且我们是测旋光度来测量速率常数。

【思考题】

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,所测的旋光度说明: C:\Users\lenovo\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-17438.png是否需要零点校正?为什么?

答:(1)因为水是非旋光性物质,其旋光度为0。

(2)不需要。因为作 说明: C:\Users\lenovo\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-17229.png 图时,说明: C:\Users\lenovo\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-16994.png已将零点抵消掉了,因此不作零点校正,对计算反应速度常数无任何影响。

2、蔗糖溶液为什么可粗略配制?

答:因该反应为(准)一级反应,只需作 说明: C:\Users\lenovo\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-17229.png 图,根据斜率便可求其反应速率常数k,并且该反应的半衰期与起始浓度无关,故蔗糖溶液可粗略配制。

3、蔗糖的转化速率常数k与哪些因素有关?

答:温度,催化剂种类、浓度。

4、试分析本实验误差来源?怎样减少实验误差?

答:(1)光源波长,须恒定。

(2)温度,应等温度恒定后在开始实验测量。

(3)操作误差,为减少误差,玻璃片应擦净,旋光管中不能有气泡,两次测量之间务必将旋光管洗净并润洗。

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