蔗糖转化反应动力学
班级：09111101
组号：第八组
一、 实验目的
（1）测定蔗糖水溶液在酸催化作用下的反应速率常数和半衰期
（2）了解旋光度的概念，学习旋光度的测量方法及在化学反应动力学研究中的应用
二、 原理
蔗糖砸水溶液中的转化反应
C12H22O11（蔗糖）+H20 H+ C6H12O6(葡萄糖) + C6H12O6（果糖）
这是一个二级反应，在纯水中反应速度极慢，通常需要在H的催化作用下进行。当蔗糖含量不是很大的时候，反应过程中的水是大量存在的，尽管有部分水分子参与了反应，但是仍可以认为整个反应中的水的浓度是不变的；H+是催化剂，其浓度保持不变。则此蔗糖转化反应可以看做是准一级反应，其反应速率是：
式中，k为蔗糖转化反应速率常数，c蔗为时间t时蔗糖的浓度。
当t=0时，蔗糖的浓度为C0，蔗，对上式积分：
当C蔗=
时，相应的时间t即为半衰期t1/2，且有：
t1/2=
测定不同的时间t时的C蔗可求得k。
旋光性物质的旋光角为：
式中αm为旋光性物质的质量旋光本领，与温度、溶剂、偏振光波长等有关；m为旋光性物质在截面积为A的线性偏振光束途径中的质量。由此式可得：
α
式中，A为常数。
已知在293.15K，以钠的D光线为光源时，蔗糖、葡萄糖、果糖的旋光本领
1.16×10-2rad·m2·kg-1,0.92×10-2rad·m2·kg-1,-1.60×10-2rad·m2·kg-1。因此，随着反应的进行。旋光角会发生变化，蔗糖和葡萄糖为右旋，果糖为左旋，所以在反应的过程中右旋角不断减少，反应完毕时溶液为左旋。
蔗糖水解反应中，不同的时间t时，反应物、生成物的浓度为：
当t=0时，
0=A蔗
；
当t=t时，t= A蔗
+A葡
-
）+A果（-）；
当t=∞时，∞=（ A葡+ A果）Co,蔗；
整理有：
Co,蔗=
C蔗=
因此：
k=
以
对t作图，则图为一条直线，有直线的斜率可以求得蔗糖转化反应的速率常数k.
三、 仪器与试剂
旋光仪、恒温槽、秒表、容量瓶（250ml）、容量瓶（50ml）、磨口塞锥形瓶（250ml）、烧杯（100ml、1000ml）、移液管（50ml）、HCl溶液（3.0mol·dm-3）
四、 实验操作
1） 打开恒温槽两个，分别设定温度为25℃、55℃；
2） 打开旋光仪电源开光预热10min，然后打开光源开关预热20min。
3） 称取10.0g蔗糖用少量水溶解，转移至50ml容量瓶中，定容。
4） 用装有去离子水的样品管放入旋光仪样品室，待读数稳定后按“清零”键
5） 用移液管取50mlHCl溶液（3.0mol·dm-3）于干燥、洁净磨口塞锥形瓶（250ml）中
6） 将定容的蔗糖溶液倒入另一只干燥、洁净磨口塞锥形瓶（250ml）中，将上述干燥、洁净磨口塞锥形瓶中液倒入蔗糖溶液中，同时启动秒表。两瓶来回倒几次。
7） 迅速用混合溶液洗涤旋光测试管两次，然后再测试管中装满溶液，用擦镜纸将测试管两端擦干，迅速放入旋光仪中，测的第一个数据α1，以后每隔1—3min测量一次，同时记录相应的时间，每次测量后将测试管置于25℃恒温槽，测量时在取出用擦镜纸擦干测量。15分钟之后可延长时间间隔，直至旋光度出现负值。
8） 将测试液倒入剩余混合液置于50℃—60℃水浴中保温30min，然后放入25℃恒温槽中冷却至25℃，再测得α∞。
9） 充分洗涤测试管，擦净之后放回仪器盒，以防酸蚀。
五、 数据记录与处理
实验原始数据：
n(HCl)=3.0mol/dm3 反应温度：25℃ α∞=-3.920 rad
根据实验数据绘制
根据实验数据绘制
通过直线拟合可以知道拟合直线的斜率为
。
k=
由t1/2=
可知：t1/2=
=17.781min
六、 分析：
从图像可以看出，刚开始时曲线斜率比较小，随后增大，与拟合曲线斜率相近，最后斜率逐渐变小。
1） 刚开始时溶液混合是在室温，在尽量完第一次之后才放在恒温箱中，并且前几次测量时间间隔比较短，反应体系温度还没有达到25℃，随着温度增加反应速率加快，所以斜率逐渐增大。
2） 随着反应的进行，蔗糖的浓度降低，使得k值减小
3） 测量旋光角时,两次放置测试管的位置会有差异,产生测量误差。
4） 测量室和恒温槽存在温差造成反应速率的回来变动。
七、 思考题
1） 根据蔗糖、葡萄糖、果糖的质量旋光本领数据，计算本实验的α0和α∞。
在测试管中蔗糖的浓度:
c=
3°
=-0.0715rad=-4.09°
实验中测得的第一组数据为2.500min时旋光角为12.126°与理论值比较好的吻合了，实验测得的
为-3.920°，说明反应还没有完全进行到底。
2）配制蔗糖溶液时，使用0.1精度的天平，而无需使用0.1mg精度的天平，为什么？
答：因为要求配10.0g的蔗糖溶液，只要称到小数点后第一位,即0.1g就可以了,因此只需用精度为0.1g的普通天平而不需用精度为0.0001g的分析天平。这样能够更快的完成称量，又不影响实验的整体精度。
3） 将盐酸溶液于蔗糖溶液混合的时候，是将盐酸溶液加入到蔗糖溶液中，反之是否可以，为什么？
答：将蔗糖加到盐酸溶液中使不科学的。
因为将盐酸加到蔗糖溶液中，在加的过程中蔗糖的溶度变化不是很大，而如果将蔗糖溶液往盐酸溶液中倒，那么蔗糖溶液浓度变化很大，这样做是不科学的。
第二篇：撞击动力学实验报告
1. SHPB实验装置、基本原理及用途
1.1实验装置及用途
如图1所示为SHPB的实验装置及数据采集处理系统：
图1 SHPB实验装置
SHPB装置主要由三部分组成：压杆系统、测量系统以及数据采集与处理系统。其中压杆系统是由撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆四部分组成。撞击杆也称之为子弹，一般来说压杆所采用的截面尺寸及材料均相同，因此子弹的长度就决定了入射应力脉冲的宽度λ，一般取λ=2L（L为子弹的长度），吸收杆主要是用来吸收来自透射杆的动能，以削弱二次波加载效应，为保证获得完整的入射及反射波形，入射杆的长度一般要大于子弹长度的两倍，所有压杆的直径应远小于入射应力脉冲的波长，以忽略杆中的惯性效应影响。
测量系统可以分为两个部分，一个是撞击杆速度的测量系统，另一个是压杆上传感器测量系统。对撞击杆速度的测量常采用激光测速法，如图1所示，在发射管与入射杆之间装有一个平行光源，用来发射与接收激光信号，两个光源之间的间距是可测的，当子弹经过平行光源时，会遮挡住光信号而产生一定宽度的脉冲信号，据此可测出子弹通过平行光源的时间即可求出子弹的撞击速度。压杆传感器测量系统则是在压杆相应位置处粘贴电阻应变片，并将应变片经电桥连接至超动态应变测试仪上，据此即可测出压杆中的应变。
数据采集和处理系统主要由TDS5054B数字示波器，CS—1D超动态电阻应变仪，TDS2000B波形存储器，以及微机等组成。其作用是完成对信号的采集、处理和显示。
1.2基本原理
利用应变片技术测量波速的工作原理如图2所示。子弹撞击压杆所产生的应力波（弹性波）先后为应变片1和应变片2所记录。鉴于弹性波在线弹性细长杆中的传播很少有衰减，也不弥散，基本上不失真，因此可根据两个应变片之间的距离及所记录信号的时间差确定波在细长杆中的传播速度。
图 2 应力波波速测量原理图
鉴于弹性波在自由端反射的异号波形具有相同的传播速度，还可以采用如图3所示的更为简单的测试方法。这时，应变片所记录的是拉压相间的应力波，同一相位间隔距离代表应力波行走了一个来回，即杆长的二倍距离，据此也可以确定应力波在细长杆中的传播速度。
图3 应力波波速测量原理图
常规的拉伸（或压缩）实验测得的是材料在低应变率(
)下的应力应变曲线。本实验测得的是材料在高应变率(
)下的应力-应变曲线，其原理如图4所示。当枪膛内的子弹以某速度撞击输入杆时，在杆内产生一个入射脉冲
，试件在该应力作用下产生高速变形，与此同时，在压杆中分别产生往回的反射脉冲
和向前的透射脉冲
。
图4 测量应力-应变原理图
本实验是建立在二个基本的假定基础上的，一个是一维假定（又称平面假定），另一个是均匀假定。根据一维假定，我们可直接利用一维应力波理论确定试件材料应变率
、应变
和应力
：
(1)
(2)
由(1)、(2)式进而可得试件材料的应力应变关系。根据均匀假定，可得
，代入公式后则可得到更为简单的形式：
2. SHPB实验的操作过程
2.1实验问题描述
利用SHPB试验测定泡沫铝材料的动态应力-应变曲线。已知试样为一直径为37mm，厚度为6mm的圆柱体，压杆材料为钢，弹性模量为200GPa，子弹长100mm，直径37mm，入射杆及透射杆均为长2000mm，直径为37mm的均质钢杆，平行光源之间的距离为30mm。
2.2试件选择及尺寸
由于在霍普金森压杆测试中，惯性效应及试样与杆端的摩擦等会导致试验结果的不准确，因而在试验前必须合理设计、选择试样。
通常情况下，由于圆柱形试样容易加工，因而人们更多地采用圆柱形试样进行试验，而确定试样的几何尺寸则需要综合考虑多方面因素。通常对于一套给定的霍普金森压杆，试样的直径最好是压杆直径的0.8倍。这样虽然试样在压缩变形过程中长度将会缩短，而直径将增大，但仍可以保证试样直径超过压杆直径前达到30%的真实应变。此外，试样的长径比也应当在0.5~1.0之间，太长的试样在试验过程中容易失稳。基于以上两点，我们选用的是直径为37mm，厚度为6mm的圆柱体，材料为泡沫铝。
另外，试样在加工过程中应保证两个端面的平行度在0.01mm以上，同时这两个端面应该有足够的光洁度以减小试验过程中端部摩擦的影响。还需注意的是，由于在加工过程中，材料中难免会有残应力存在，因而在试验前应对试样进行适当的热处理以减小残余应力的影响。
2.3获得三波的过程
当撞击杆与入射杆发生碰撞时，两个杆中将会有压力脉冲产生并向各自杆的另一端传播，这样就形成了入射波，当入射波经过应变片1时便得到入射波的波形；当入射杆中的应力脉冲到达试样的接触面时，由于波阻抗的不匹配，一部分脉冲被反射，在入射杆中形成反射波，当反射波经过应变片1时便得到反射波的波形；另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波，当透射波经过应变片2时便得到了透射波的波形。
2.4原始波形图像
设置采样频率为2MHz，采样点数为10000，得到的入射波、反射波和透射波的波形如图5和图6所示，其中图5中波峰为入射波，波谷为反射波：
图5 入射波和反射波波形
如图6所示为透射波波形：
图6 透射波波形
2.5试件应力-应变曲线
工程应力曲线：
图7 试样的工程应力曲线
工程应变曲线：
图8 试样的工程应变曲线
工程应变率曲线：
图9 试样的工程应变率曲线
工程应力-应变曲线：
图10 试样的工程应力-应变曲线
3. 收获及感想
这次试验，让我对霍普金森压杆试验有了一个深刻认识，第一，它为我们展示了一种方法，为我们以后在科研过程中遇到新材料时，分析材料动态力学行为提供了一种行之有效的手段；第二，试验结果清楚地表明了材料在冲击载荷作用下有着明显的不同于静态载荷下的响应，在诸如火炮身管等带有冲击效应的强度设计和校核过程中应特别注意。通过这次试验，我掌握了SHPB测量材料动态力学性能的方法以及相关数据处理的方法和步骤，学会了应变片的粘贴技术，锻炼了动手能力，并进一步加深了对撞击动力学等理论的认识。