蔗糖水解速率常数的测定

1．数据处理

（1）结果要求：① 蔗糖比旋度，用100mm旋光管测定，数据可控制在66.0±1.0

  ②用公式计算实验数据，并与手册中查得的蔗糖旋光度

  （适用范围287~303K）进行比较。         

  ③将时间t、旋光度（a_t-a_¥）、lg（a_t-a_¥）列表。

  ④ lg（a_t-a_¥）~ t作图，由直线斜率求出两温度下的k(T₁)和k(T₂) ，各自的反应半衰期，由图外推求t=0时的两个a₀。

  ⑤ 由k(T₁)和k(T₂)利用Arrhenius公式求其平均活化能。

（2）HCl浓度对蔗糖水解速度常数的影响（蔗糖溶液浓度均为10%）

2. 点评

（1）       实验关键

  ①能正确而较快地测读旋光仪的读数，初操作仪器者通过测蔗糖比旋光度而得到练习。

  ②温度对实验数据的影响大，要注意整个实验时间内的恒温，如无样品管恒温夹套，则旋光管离开恒温水浴时间应短。根据实验数据，当[H⁺]=1M（HCl），蔗糖10%

   k_303.7K=3.35´10^-2min^-1        k_313.2K=7.92´10^-2min^-1

由以上数据求得在303.7~313.2K温度范围内平均活化能E_a»71kJ×mol^-1。

    可见，本实验的实验温度范围最好控制在288~303K内进行，温度过高反应速度太快读数将发生困难。

  ③ HCl浓度也要配制正确，[H⁺]对反应速度常数有影响，若酸浓度不准，尽管数据线性关系再好，k值偏离文献数据。

  ④ HCl 与蔗糖都要预恒温至实验温度，否则将影响初始几点的实验真实温度。

（2）       蔗糖的水解在酸性介质中进行，H⁺为催化剂，在[H⁺]浓度较低时，水解速度常数

kµ[H⁺]但在[H⁺]增加时，k与[H⁺]不成比例，且用HCl和用HNO₃或HClO₄对反应速度常数的影响也不一样（特别是酸浓度高时）。进一步实验指出若[H⁺]较大，反应速度常数k正比于h₀，而h₀可予如下定义：

  

其中a_H⁺是氢离子活度，g_S和g_SH⁺为H⁺、SH⁺的活度系数，利用[H⁺]对k的影响，可以研究蔗糖水解的机理，长期以来有二种假设：

 

按照反应①属一级反应，从理论上可以推出反应速度常数k应与h₀成正比。

按照反应②属假单分子（二级）反应，从理论上可以推出反应速度常数k应与[H⁺]成正比。从而实践证明第一种机理是正确的，因而蔗糖水解判为一级反应。反应是一复杂反应。显然其计量方程式并不表示此反应的机理，反应也非双分子反应。

（3）本实验的误差可作如下估计：

根据

显然，在不同时刻t所得a_t代入上式中计算k的误差是不同的。采用微分方程

推导速率常数的相对误差的结果是

①应增加旋光管长度

    假设在200mm旋光管中有下列一点的数据t=25min，a₀=13.2，a_t=5.20，a_¥= -4.10

dt=0.5min，da₀=da_t=da_¥= 0.05  代入上式求得

若此点改在100mm旋光管中测，得到t=25min，a₀=6.6，a_t=2.60，a_¥= -2.05；dt=0.5min，da₀=da_t=da_¥= 0.05  代入上式求得

可见用较长旋光管可以减少读数误差而提高精度。

②选时间长短、取点要合理

当t较小时，主要误差来源于时间误差，如t=10min，引入误差为5%。而t较大时，（a_t-a_¥）较小，是主要误差来源，因此实验取点要合理，既不能取时间太短，又不能取时间太长的点，本实验误差应小于10%（一般动力学实验误差限）。

3．讨论

（1）旋光度的零点校正有何意义？

解 蔗糖是否纯，通过测比旋光度来鉴定。另外，零点校正有利于近终点的判断。即旋光性由右旋变到左旋。

（2）为什么配蔗糖溶液可用粗天平秤量？

解 其一，对于这个假单分子（二级）反应，由于大量水存在，虽有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小，所以只要蔗糖浓度浓度不太浓，水的浓度变化问题对反应速度的影响不大。其二，浓度不同的蔗糖，在200mm管中测得a=26.60，则

蔗糖反应中旋光系数正比于旋光系数，其三，尽管蔗糖的转化速度与蔗糖浓度、酸浓度、温度及催化剂种类有关，但速率常数k与其中的蔗糖浓度无关，是可以从公式看出的。

 (3) 如果没有a_¥数据（或者反应未趋完全），是否也能求得反应速率常数？

  解 ①对于一级反应在没有a_¥数值，或者在反应不完全，不能求得a_¥值时，也可由下法求出反应的速率常数k值来。先列出时间为t时的浓度c₁，（或a _t）和时间为t+Dt时的浓度c₂，（或a₂），Dt可为任意的时间间隔，不过最好是实验时反应进行时间的一半，作lg(c₁-c₂)对t的图其斜率即为-k/2.303。公式推导如下：

c=c₀e^-kt

由此可得

c₁=c₀e^-kt，c₂=c₀e^-k（t+Dt），c₁-c₂= c₀e^-kt(1-e^-kDt)

取对数

                              （2.10.1）

然后作lg(c₁-c₂)~t图，由斜率求得k。

由于旋光度a与浓度c成正比，所以可直接用旋光度a代c。设

a=Kc+P，c₁-c₂=（a₁-a₂）/K

代入（2.9.1）得

   ②ln(a_¥-a_t)= ln(a_¥-a₀)-k×t

不知a₀，也一样求k值。而蔗糖水溶液与HCl的混合恰恰是放热反应恒温条件被破坏，使得最初的一些点的测试出现偏差。

（4）试推导公式 

解 对于任何化学反应体系，在温度、压力一定时，若某物理性质“l”具有加和性，且与浓有线性关系，则必有关系式

                                                      (2.10.2)

(2.10.2)式对于一级反应、二级（如乙酸乙脂皂化）反应及n级反应来说通用。推导如次：

对任意一个化学反应，其计量方程式为aA+bB=gG+hH，并设、、和分别为A、B、G和H在反应进行到记时初始时刻（记为t=0）时的浓度，k_A、k_B、k_G和k_H为比例常数。列出线性关系式

l=l_介质+（l_A+l_B+l_G+l_H）

l₀=l_介质+（K_A×+K_B×+K_G×+K_H×）

l_¥=l_介质+[K_B(]+[K_G(]+[K_H(

   l_t=l_介质+{ K_A×+K_B[]}+[K_G(]+K_H[}

所以

（5）判断：蔗糖水解实验是将盐酸溶液倒入蔗糖溶液。

  解 对

（6）拟出测有色(红棕色水溶液)香精香根油旋光度的简易方法。

　解：（1）用活性炭脱色 （2）用有机溶剂稀释 （3）选样品管长度的原则是使能透过光路看清三分视野的变化 （4）计算则根据稀释倍率及比旋度公式

4.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αt是否需要零点校正?为什么?

答：蔗糖溶液以蒸馏水作溶剂，故用纯蒸馏水作零点校正。蔗糖

转化反应过程中，无须再作零点校正，因都以蒸馏水作校正，只需校

正一次。

2.配置溶液时不够准确，对测量结果是否有影响？

答：有，当HCl溶液浓度过大时，蔗糖水解速率测量结果会偏大。

3.在混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，我们将盐酸加到蔗糖溶液中，

可否将蔗糖溶液加到盐酸溶液中去？为什么？

答：如将蔗糖溶液加到HCl溶液中，由于，HCl溶液浓度过大，

会加快蔗糖水解，影响测量结果。

5、本实验要想减少误差，应注意什么?

答：（1）正确操作仪器。（2）准确配制HCl溶液浓度。

第二篇：蔗糖水解反应速率常数测定的实验改进

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实验科学与技术20xx年10月

蔗糖水解反应速率常数测定的实验改进

邹桂华,刘春凤,沈广志,高?静

a

b

a

a

(牡丹江医学院?a?药学系;b?红旗医院,黑龙江牡丹江?157011)

摘要:蔗糖水解反应速率常数测定是典型的一级反应动力学实验,是物理化学实验的基本内容之一,针对实验中出现的问题,对实验方法,实验仪器,数据处理的方法进行了改进,实验结果满意,将实验变为综合性设计性实验,从设计实验方案到溶液的配制,到旋光仪的使用,到数据的处理,再到计算机的使用,激发了学生的学习热情,提高了学生的综合素质。关?键?词:蔗糖水解;旋光度;数据处理中图分类号:TS244?11??文献标识码:

B??文章编号:1672-4550(2009)05-0044-02

ImprovementofSpeedConstantDeterminationinSucrose

HydrolysisReaction

ZOUGui?hua,LIUChun?feng,SHENGuang?zhi,GAOJing

(a?PharmacyDepartment;

a

b

a

a

b?HongqiHospita,lMudanjingMedicalUniversity,Mudanjiang?157011,China)

Abstract:Speedconstantdeterminationinsucrosehydrolysisreactionisthetypicalfirst?levelreactionkineticsexperiment,oneofbas?iccontentsinphysicalchemistryexperiment.Inviewoftheproblemexistinginexperiment,thispaperimprovesthemethod,instru?

ment,anddataprocessing,whichproducesasatisfactoryexperimentalresult.Theexperimentischangedintocomprehensiveandde?signexperiment,fromthedesignedexperimenttothesolutionconfiguration,tousingopticalinstruments,todataprocessing,andcomputer?suse.Thusstimulatesstudent?sstudyenthusiasm,improvesstudent?soverallquality?Keywords:sucrosehydrolysisreaction;opticalrotation;dataprocessing

1?引?言

蔗糖水解反应速率常数测定是牡丹江医学院制药、药学、检验专业开设的实验项目。是一个典型的一级反应动力学实验。我们按照文献[1]的实验设计进行操作,测定20?下的旋光度,通过用坐标纸作图求得反应的速率常数k。通过几年的教学实践发现一些问题,因此我们根据现有的条件对实验进行了改进,取得了满意的结果。

于60?的水浴上温热30min,冷却至室温测定旋光度,但因为加热,酸和水的挥发导致物质浓度发生变化,影响反应的进行,可能有副产物生成,而且蔗糖是否完全转化也很难确定,导致反应终了时? 测定不准确。

4)手工使用坐标纸作图误差较大。5)学生被动的完成实验,学习热情不高。

3?改进的实验内容与操作方法

根据学校的实际情况,我校采用的是大循环式的实验教学方法,教师上课时同时指导2个不同实验的教学模式。将作蔗糖水解反应速率常数测定实验的学生分成4个小组,采用4台旋光仪,蔗糖浓度按照实验书的要求为20。影响实验结果的因素主要有2点:温度和催化剂的浓度。为了充分调动学生的积极性,让学生在阅读实验讲义后,自主选择实验温度和催化剂的浓度,设计实验方案,配制溶液进行实验。教师进行辅助指导,按实验教材步骤进行操作。

为了使反应在恒温条件下进行,我们制作了带。

2?实验出现的问题

1)实验课开设在6月份,天气好时,室温超过20?,很难将温度控制在20?。

2)反应测定需要恒温温度,而我校的旋光仪(WXG-4型圆盘旋光仪)没有恒温装置,无法进行恒温操作。

3)测定? 时,是将蔗糖和盐酸的混合液置

收稿日期:2009-01-20

作者简介:邹桂华(1981-)女,助教,在读硕士研究生,

第7卷?第5期ExperimentScience&Technology

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由于测定? 时,误差较大,因此我们改变数据处理方法,不测定?

。下面介绍数据处理原理。

先将t和?t的数据手工输入,然后让C2的数据等于B8,C3的等于B9,以此类推。让D2=B2-C2,用鼠标拖动之后就可以得到数列D的数据,运用函数让E2=ln(D2),用鼠标拖动之后就可以得到数列E的数据。在?插入%中选择?图表%,选择XY散点图,在下一步的?系列%中添加X和Y,

图1?旋光仪的恒温套管

X选择A2到A9,Y选择E2到E9。点击下一步即完成散点图的绘制。在?图标%中选择?添加趋势线%,在类型中选择线性,在选项中选择显示公式和显示R平方值。R相关系数的平方,值越接近于1表示线性越好。这样就可得到回归公式,得到直线的斜率就是我们要求的k值,如图3

所示。

2

反应的动力学方程为:

ln(?t-? )=-kt+ln(?0-? )?t-? =Ae

式中,?t是定值。

由式(2)-式(3)得?t-?t+?t=Ae式中,e

-k?t

-kt

-kt

(1)(2)(3)

?A=?0-?

-k(t+?t)

?t+?t-? =Ae

-Ae

-k(t+?t)

-k?t

=

-kt

Ae是常数。

-kt

(1-e)=A#e(4)(5)

ln(?t-?nA#-ktt+?t)=l

以ln(?t-?t+?t)对t作图,可得一直线,通过斜率求得k,不必测出?n, 。我们让?t=30mi这样在记录数据时则需记录5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min时的数据。

由于作图时比例尺选择不当,描点时产生误差。作图时也不再用坐标纸手工作图。而采用Mi?crosoftExcel处理实验数据MicrosoftExcel是一个功能强大、使用方便的表格数据综合分析处理系统,数据处理简单,方便直观,而且有丰富的函数,可以进行数据处理、分析统计、制图。将我们的数据用MicrosoftExcel处理,简便、快速、减少误差。

以实验过程中所得的数据为例,介绍MicrosoftExcel的使用方法,如图2

所示。

可以将工作表进行保护,将文件保存后下次使用:先将B列的数据选中,选择单元格格式中的保护,将锁定取消。然后将整个工作区选中,在?工具%中?保护%选择?保护工作表%。工作区当中的数据只有?t是可以改变的。在下次使用时只需输入?t的值即可,使数据处理更加简便。

图3?示例图

4?结束语

通过对实验的改进,让学生自己设计实验方案,学生是主体,而教师只起指导作用,充分激发了学生的学习热情,提高了学习的积极性,加深了学生对基础理论的理解。从设计实验方案到溶液的配制,到旋光仪的使用,到数据的处理,再到计算机的使用,提高了学生的综合素质。

参考文献

[1]?东北师范大学?物理化学实验[M]?2版?北京:高

等教育出版社,

1998?

[2]?周丛山,杨涛?蔗糖水解实验数据处理新方法?

[J]?实验科学与技术,2008,6(2):46-48?

[3]?周华锋,侯纯明,张丽清,等?蔗糖水解反应动力

学研究[,34(202?

图2?MicrosoftExcel的使用方法