实验二 蔗糖转化速率常数的测定

实验二 蔗糖转化速率常数的测定

一 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

C 12H 22O 11( 蔗糖 ) + H2O −−→ C 6H 12O 6 (葡萄糖) + C6H 12O 6( 果糖 )

它是一个二级反应，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。由于反应时水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，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。一级反应的速率方程可表示为

- dc/dt =kc (7-1)

c 为时间t 时的反应物浓度，k 为反应速率常数.

积分可得 ln c = - kt + ln c o (7-2)

c 0为反应开始时反应物浓度。 H +

当c =0.5c o 时，可用t 1/2表示，既为反应半衰期:

t 1/2 =ln2 / k (7-3)

从(7-2)式，不难看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，并以ln c对t 作图，可得一直线，由直线斜率既可得反应速率常数k o 然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度是困难的。但蔗糖及其转化物，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的进程。

测量物质旋光度的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含物质的旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关系。当其它条件固定时, 旋光度α与反应物浓度c 呈线形关系, 即

α = βc (7-4)

式中比例常数β与物质旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度、温度等有关。 为了量度各种物质的旋光能力，引入“比旋光度”的概念。其定义式为:

[α]λt =α· / l ·ρB (7-5)

式中[α]λt 为物质B 的比旋光度；上标“t ”表示实验时溶液的温度，λ是指所用光源的波长，一般用钠光的D 线，其波长为即589 nm；α为测得的旋光度( o ), l 为样品管长度( dm )，ρB 为旋光物质B 的质量浓度( g/100mL )。

当温度、波长及溶剂一定时，各种旋光物质的[α]λt 为定值。如以水为溶剂，蔗糖的[α]D 20 = 66.6°，葡萄糖的[α]D 20 = 52.5°，果糖的[α]D 20 = -91.9°。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈现左旋性质。因此随着反应进行，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∞。

设体系最初的旋光度为

α0=β反c o ( t =0,蔗糖尚未转化 ) (7-6)

体系最终的旋光度为

α∞=β生c 0 ( t =∞,蔗糖已完全转化 ) (7-7)

(7-6 )和(7-7 )中β反和β生分别为反应物与生成物的比例常数.

当时间为t 时，蔗糖浓度为c ，此时旋光度为αt ，即

αt =β反c + β生(c o – c ) (7-8 )

由(7-6 )、(7-7 )和 (7-8 )联立可解得

c 0=(αo -α∞)/( β反-β生) = β′(αo -α∞) (7-9 )

c =(αt -α∞)/( β反-β生) = β′(αt -α∞) (7-10 )

将(7-9 )和(7-10 ) 代入(7-2)式既得

ln(αt -α∞)= -kt + ln(αo -α∞) (7-11 )

显然，以ln(α0-α∞) 对t 作图可得一直线，从直线斜率既可求得反应速率常数k 。

三 仪器和药品

旋光仪

恒温槽

秒表

天平

烧杯(100mL)

玻棒

容量瓶(100mL)

叉形管

移液管(25mL)

蔗糖(分析纯)

HCl 溶液(2.00mol·L -1) 1套 1个 1个 1台 1个 1支 1个 1支 2支

四 实验步骤

1. 开启水浴恒温槽的电源开关和搅拌，并将两个水浴恒温槽的温度分别控制在25℃和60℃。

2. 用天秤称取20 g左右的固体蔗糖，用100 mL容量瓶配制成的浓度为0.2 mol·L -1溶液备用(注意配制溶液的规范操作) 。

3. 取二支25mL 移液管，分别移取25mL 蔗糖溶液和25 mL 、2.0mol·L -1盐酸溶液分别于叉形管的直管和支管中(此时不混合) ，塞上塞子，悬于25℃恒温水浴中5~10min，待用。

4. 了解和熟悉旋光仪的构造和使用方法(参见仪器使用说明书)

用蒸馏水校正旋光仪零点：蒸馏水为非旋光物质，可用它校正仪器的零点。洗净旋光管，将旋光管的一端盖子旋紧，由它另一端加入蒸馏水，然后旋紧套盖，但不要过紧，以不漏水为准。如果管中有气泡，可将气泡导入旋光管粗肚部分(上翘管部即可) 。用滤纸将旋光管外部擦干。旋光管两端的玻璃片，可用镜头纸擦净。打开光源，把盛满蒸馏水的长度合适的旋光管放入旋光仪内，盖上盖子，测其旋光度，重复2~3次取其平均值，此值即为仪器的零点。将仪器清零即可。(本实验可以不校零点)

5. 测定αt

取出叉形管迅速将盐酸溶液倒入蔗糖溶液中，并混合均匀，同时开始记时(作为反应开始的时间) 。用少量的混合液润洗旋光管2~3次后，将混合液加入旋光管内，将旋光管外壁和两端的玻璃片擦干后置于旋光仪中，到第5min 测其旋光度(剩余的溶液仍保留在叉形管中用塞子塞好旋于60℃的恒温水浴中，待测定α∞时使用) 。测完后将该旋光管旋于25℃恒温水浴中继续恒温，到第10min 测其旋光度，测完后继续恒温。如此每隔5min 测一次旋光度αt 。即第5、10、15、20、25、30、35、40min 依次各测一次旋光度。

6. α∞的测定

将上述60℃的恒温水浴中叉形管取出(可认为蔗糖水解完全) ，悬于25℃的恒温水浴中恒温5~10min后，测定其旋光度值，即为25℃时的α∞值。

五 注意事项

1. 光路中不能有气泡，也不能漏液。

2. 洗净旋光管，防止酸对其的腐蚀；并放好，千万别让它滚动。

六 数据记录与处理

1．将实验数据填入下表

室温: 大气压: c (HCl):

恒温槽温度： α∞：

1. 以ln(αt -α∞) 对t 作图，由直线斜率求反应速率常数k 并计算反应半衰期t 1/2。 七 思考题

1. 配制蔗糖溶液时称量不够准确，对测量结果k 有无影响? 取用盐酸的体积不准呢？

2. 测定最终旋光度时，为了加快蔗糖水解进程，采用60℃左右的恒温使反应进行到底，为什么不能采用更高的温度进行恒温？

3. 在旋光度的测量中，为什么要对零点进行校正? 在本实验中若不进行校正，对结果是否有影响？

4. 记录反应开始的时间晚了一些，是否会影响到k 值的测定? 为什么？

5. 蔗糖的转化速率和哪些因素有关？