宁 波 工 程 学 院

物理化学实验报告

专业班级    化工112    姓名    季森策     序号    11402010241           

同组姓名王任、王春莉   指导老师付志强、姚利辉  实验日期  2013.5.6         

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60min，使反应充分后，冷却至室温后测定体系的旋光度。

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。

五、数据记录与处理

实验温度： 23.0℃   ； HCl浓度： 3mol/L    ；零点：0.00       α_∞： -3.05    。

以ln（α_t—α_∞）对t作图，并由直线斜率求速率常数k₁。

斜率=-0.02719，所以k₁=0.02719 min ^-1=4.532×10^-4 s^-1

t_1/2= ln 2 /k₁ =0.693 / k₁ = 0.693 /4.532×10^-4 =1529.24 s

六、结果与讨论

实验结论：本实验是测定蔗糖水解反应速率常数，k₁=4.532×10^-4 s^-1

误差分析：

1、  实验过程中，由于对旋光仪的使用不太熟悉，导致前两组数据错误，故舍弃

2、  人为的读数误差和实验操作误差

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,亦勿使其漏水或产生气泡。

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。

第二篇：实验五 蔗糖水解反应速度常数的测定1

实验五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。

二、基本原理：

1.蔗糖的转化为一级反应

蔗糖在H⁺催化作用下水解或葡萄糖和果糖，反应方程式为：

C₁₂H₂₂O₁₁  +  H₂OC₆H₁₂O₆   +  C₆H₁₂O₆

蔗糖                   葡萄糖      果糖

由于在较稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反应过程中水的浓度可以认为不变，因此在一定酸度下，反应速度只与蔗糖的浓度有关，而反应速度与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应，故蔗糖的转化反应视为一级反应。

(1)反应速度公式和半衰期

—反应速度常数，为单位浓度是的反应速度,—反应速度。

也可以写为

 反应时间，为时间  时蔗糖的浓度。

不定积分：   

，B积分常数，

当时，

蔗糖的起始浓度，代入上式可得定积分式

当反应进行一半所用的时间称为半衰期，用t_1/2表示，则

解得 

（2）一级反应有三个特点：

① k的数值与浓度无关，量纲：时间^-1，常用单位，等。

② 半衰期与反应物起始浓度无关。

③ 以 对  作图应得一直线，斜率为，截距为。

由此可用作图法求得直线斜率，计算反应速度常数斜率。

2.反应物质的旋光性

蔗糖及其水解产物葡萄糖，果糖都含有不对称碳原子，它们都具有旋光性，即都能使透过他们的偏振光的振动面旋转一定的角度，此角度称为旋光度，以表示。蔗糖，葡萄糖能使偏振光的振动面按顺时针方向旋转，为右旋物质，旋光度为正值。果糖为左旋物质，旋光度为负值，数值较大，整个水解混合物是左旋的。所以可以通过观察系统化反应过程中旋光度的变化来量度反应的进程。量度旋光度的仪器称旋光仪，旋光仪的原理方法将专门讲解。

2.1旋光度与比旋光度

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：

            （1）

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10cm

为单位）；为浓度（常用100溶液中溶有克物质来表示），式（1）可写成：

             （2）

  或                       

                （3）

    由（3）式可以看出，当其他条件不变时，旋光度与反应物成正比，即

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66.6°），产物中葡萄糖也是右旋性物质（比旋光度52.5°），果糖是左旋性物质（比旋光度-91.9°）。因此当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时体系将经过零变成左旋。

2.2旋光度变化与浓度变化的对应关系

蔗糖水解反应中，反应物与生成物都有旋光性，旋光度与浓度成正比，且溶液的旋光度为各旋光度的和（加和性）。若反应时间为0，t,∞时溶液旋光度各为，，。可推导出：

，   

为开始时蔗糖的右旋角；为反应进行到 时的混合物的旋角； 为水解完毕时的左旋角。可用（）代表蔗糖的总量，（）代表时的蔗糖量。

简单的推导证明方法可以如图示看出

正比，       正比

3.反应速度常数k的求法

以ln(a_t-a_¥)对t作图,由图所得直线斜率求k值，进而求半衰期t_1/2。

三、仪器和试剂（略）

四、实验步骤：

1、将恒温槽调节到25°C恒温，称取10克蔗糖溶于水中，用50ml容量瓶配成溶液。用移液管移取25ml 蔗糖溶液溶于锥形瓶中，然后放入恒温水浴中10分钟。另同样取25ml盐酸溶液放入恒温槽中。

2、校正旋光度仪零点。

打开旋光度仪器预热几分钟，旋光管内注满蒸馏水，旋紧套盖，用纸擦净两端玻璃片，放入旋光仪内，盖上槽盖。调节目镜使视野清晰。然后旋转检偏镜能观察到明暗相等的三分视野为止，记下刻度盘读数，重复操作三次，取其平均值，此即为旋光仪零点。测毕取出旋光管，倒出蒸馏水。

3、蔗糖水解过程中的测定

  从恒温槽中取出蔗糖溶液，将25ml 2mol/L HCl溶液加入蔗糖溶液使其混合均匀。取加入一半HCl时作为反应开始时间，迅速取少量混合液清洗旋光管两三次。然后注满旋光管，测量各时间t时溶液的旋光度。分别测得时间为5、10、15、20、25、30、40、50、60分钟  时的旋光度。

4、 的测定

将反应剩余的混合液置50~60 °C的热水浴中，温热30分钟，以加速转化反应的进行，然后冷却，再恒温至25°C，测旋光度，此值即为反应终了时的旋光度。

5、实验结束时，立刻将旋光管洗净干燥，以免酸对旋光管的腐蚀。

五、数据记录和处理

实验温度           HCl浓度            零点         

1.实验数据填入下表

2.以ln(a_t-a_¥)对t作图,由图所得直线斜率求k值。

3.计算反应的半衰期t_1/2。

六、讨论与说明：

1. 蔗糖水解在酸性介质中进行，H⁺为催化剂，故反应是一复杂反应，反应的计算方程式显然不表示此反应的机理反应并不是因为水的浓度变化可忽略而视为一级。本反应视为一级反应完全是实践得出的结论。

2. 速度常数k与浓度有关，所以酸的浓度必须精确，以保证反应体系中H⁺浓度与实验要求的相一致。

3. 温度对速度常数k的影响不容忽视，在测定时，每测完一次，将旋光管置于25°C的恒温槽水浴中恒温，待下次测量时拿出。

4. 在放置旋光管上的玻璃片时，将玻璃盖片沿管口轻轻推上盖好，再旋紧套盖，勿使其漏水或产生气泡。

5. 旋光仪使用中，若两次测定中间间隔时间较长，则应切断电源，让灯管休息一会，在下次使用提前10分钟再开启。

6. 对三分视野的明暗判断影响实验值的精度，因此要求判断时尽可能作到快而准。

七、思考讨论题：

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。

实验六 乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定

一、实验目的及要求

1.了解测定化学反应速率常数的一种物理方法----电导法。

2.了解二级反应的特点，学会用图解法求二级反应的速率常数。

3.掌握DDS-307 型数字电导率仪和控温仪使用方法。

二、实验原理

1.二级反应的动力学方程

t=0      a    a

t=t      a-x   a-x   

          （1）

定积分得：                     （2）

以作图若所得为直线，证明是二级反应，并从直线的斜率求出。

如果知道不同温度下的速率常数，按阿仑尼乌斯方程计算出该反应的活化能。

                    （3）

2.乙酸乙酯皂化反应是二级反应，反应式为：

 

t=0          a             a             0           0

t=t          a-x           a-x            x           x

t=∞         0             0             a           a

反应前后对电导率的影响不大，可忽略。故反应前只考虑的电导率，反应后只考虑的电导率。对稀溶液而言，强电解质的电导率与其浓度成正比，而且溶液的总电导率就等于组成该溶液的电解质电导率之和。

故存在如下关系式：

                     

由上三式得：，代入（2）式得

重新排列得：

因此，以作图为一直线即为二级反应，并从直线的斜率求出。

四、仪器与药品

DDS-307型数字电导率仪（附铂黑电极）1台，恒温水槽1套，停表1只，

叉形电导管2只，直试管1只，移液管（10ml,胖肚）2根，吸液管（5ml 1根，10ml 2根），

烧杯（50ml）1只,容量瓶(100ml)2个，称量瓶（25mmΧ23mm）1只。

乙酸乙酯（分析纯），氢氧化钠（教师预先配制的大浓度0.2mol/l）

五、实验步骤

1.恒温槽调节及溶液的配制

调节恒温槽温度为298.2K(25℃)。同时电导率仪提前打开预热。

2.的测定

分别取25ml蒸馏水和25ml所配溶液，加到洁净、干燥的圆形管中充分混匀，置于恒温槽中恒温5min。用DDS-307型数字电导率仪测定已恒温好的溶液的电导率。

3.的测定

在另一只圆形管中加25ml溶液和25ml溶液，混合两溶液，并把电导电极插入直支管中，同时开启停表，记录反应时间。当反应进行6min,9min,12min,15min,,20min,25min,30min，35min时各测电导率一次，记录电导率及时间t。

4.调节恒温槽温度为308.2K(35℃)，重复上述步骤测定其和，但在测定时是按反应进行4min,6min,8min,10min,,12min,15min,18min,21min时测其电导率。

六、结果要求

1. ～作图应为一线性较好的直线。

2. 25℃（24.3℃ ）时乙酸乙酯皂化反应速率常数的标准值（摘自I.C.T  Vol Ⅶ p.129）为：

其平均活化能为11 kcal.mol^-1(摘自“化学便览”基础篇（修订二版）p.1075)。

实验要求k为6±1 (mol/l)^-1.min^-1，E为11±3 kcal.mol^-1。

七、影响结果的一些因素

1.乙酸乙酯皂化反应系吸热反应，混合后体系温度降低，故在混合后的开始几分钟内所测溶液电导偏低。因此最好在反应6分钟后开始测定，否则所得结果呈抛物线形。

2.如NaOH溶液和CH₃COOC₂H₅溶液浓度不等，而所得结果仍用两者浓度相等的公式计算，则作图所得直线也将缺乏线性。

3.温度对速率常数影响较大，需在恒温条件下测定。在水浴温度达到所要的温度后，不急于马上进行测定，须待欲测体系恒温10分钟，否则会因起始时温度的不恒定而使电导偏低或偏高，以致所得直线线性不佳。