蔗糖转化速率常数与酸度和温度的关系

贵州师范大学学报(自然科学版) 第18卷第4期Vo l. 18. No. 4

2000年11月N ov. , 2000Journal of Guizhou Nor mal U niversity (Natural Science)

文章编号:1004 5570(2000) 04 0084 03

蔗糖转化速率常数与酸度和温度的关系

赵云强

(贵州师范大学化学系, 贵州贵阳 550001)

摘要:蔗糖酸催化反应的速率常数k 是一个复合常数, 研究表明, k 与酸浓度C H +呈指数关系, 即k =k 0+k H + C H +n , 经实验分别求得不同酸度下的k 0、k H +和n , 并进一步探讨了该反应的k 与温度的关系, 按Arhenius 积分式ln k =-E a /RT +b 求出了不同酸度时反应的活化能E a 和积分常数b 的值。关

键

词:蔗糖; 转化; 动力学

中图分类号:O643 32 文献标识码:A

A study on the inversion reaction of sucrose

ZHAO Yun qiang

蔗糖水解反应的速率常数受温度影响较大, 在不同温度和酸度下测得的k 值尚无较准确的经验值参考。本文在前人部分实验工作的基础上进一步探讨了蔗糖转化反应的k 与反应温度和酸度的关系, 力求为广大实验教师提供一套较为完整准确的速率常数的计算关系式。

[1]

Leinmger PM, Kilptrick M 对盐酸催化蔗糖水解反应的速率常数k 与体系的温度、酸度及蔗糖浓度的关系作了定性说明, 并提供了部分离散数据; Purver CB [2]对该反应速率与酸度和温度的关系

作了部分研究, 并给出在C H +=0 01N 时活化能E a 在25~35! 间为一常数; 广西师大陈元发[3]等提供了该反应在30! 时k 与C H +的关系方程。

1 实验部分

1 1 仪器 药品

超级恒温水槽(一台) , WZZ 1型自动指示旋光仪(一台) , 夹套式旋光管(一只, 自制) , 盐酸(AR ) 蔗糖(AR )

。

1 2 实验方法

配备20 0%(W /V) 蔗糖溶液, 准确配制不同

浓度的盐酸溶液, 均置于温度为T ∀0 1! 的恒温槽中恒温, 再取等溶积的蔗糖溶液和某一浓度的盐

收稿日期:2000-04-24

第4期 赵云强:蔗糖转化速率常数与酸度和温度的关系

酸溶液快速混合于锥形瓶中并摇匀, 转入旋光样品管中, 在T ∀0 1! 条件下, 测不同时刻恒温条件下的旋光度a t , 如此操作读取数次a t , 后将样品管中反应尚不完全的混合液转入锥形瓶中与剩余的混合液合并, 置于50~55! 的恒温水浴中加热50min 后取出冷却至室温, 测旋光度。

酸度下测得的 由图t 对时间t 作图(如图1~3) 。可见:恒温下, 随反应体系温度的上升, t 减小的速度加快。总之, 酸浓度愈低, 反应温度越低, 图线就越逼迫直线; 反之图线则趋近曲线。

2 1 1 根据一级反应特征方程求速率常数k

按蔗糖酸催化反应为准一级反应的特征, 下式成立:

ln ( t - #) =-k t +ln ( 0- #)

(1)

2 反应的动力学探讨

2 1 酸度、温度对转化反应的影响

将温度分别固定在22! 、30! 、38! 时, 不同

将某一固定温度下, 不同酸度时测得的不同时刻的 t 和时间t 代入(1) 式, 并用计算机进行最小二乘法拟合, 求得各相应条件下的k 值(见表1) 。

10-1 3016 5918 09

22 5124 1835 3344 0657 3271 8393 19

1 5417 6728 6935 6438 0354 6068 9892 62113 91143 34

3

表1 不同温度及不同酸浓度下的速率常数值

温 度/!

[***********]

0 261 372 123 103 774 566 368 1210 5213 77

0 523 275 086 988 4210 5214 6418 3823 6031 02

酸 浓 度/mol ∃L -0 771 045 639 0411 5913 8217 7223 1229 9335 5252 01

9 1414 4318 1119 6727 8936 0347 0756 0377 17

1

2 1 2 作速度常数k 对C H +的关系图, 并建立各相应的关系方程

将不同温度时, 反应的速度常数k 对C H +作图(图4) , 由图可见, 在各恒温条件下; k 随C H +的降低而下降, 当C H +趋近于零时, k 值趋于同一值k 0, 且k 与C H +呈指数关系, 即

k =k 0+k H + C H +

将所测k 值与相应的C H +在计算机上进行曲线回归可得各温度下k 0与n 值(表2) 。

表2

温度/! [***********]

n

2 1 3 速率常数与温度的关系

不同温度下k 与C H +的关系

k =k 0+k H + C H +

n

k =0 40 10-3+8 68 10-3C H +1 6776k =0 75 10-3+13 68 13-3C H +1 7106k =1 02 10-3+17 09 10-3C H +1 5673k =0 49 10-3+19 18 10-3C H +1 3140k =1 45 10-3+26 44 10-3C H +1 5909k =2 24 10-3+33 79 10-3C H +1 5645k =2 41 10-3+44 66 10-3C H +1 5293k =1 77 10-3+54 46 10-3C H +1 3506k =3 74 10-3+73 70 10-3C H +1 4634

据文献[2]报道, 庶糖转化反应的活化能在0~40! 内基本不受温度变化的影响; 文献[1]报道, 酸度对活化能的影响比温度相对较大, 按Arrhenius 公式:

ln k =-E a /RT +B

(2)

将不同酸度及不同温度下测得的ln k 对1/T b 的值(表3) 进行线性拟合, 分别求得如下各相应的E a 、b 的值(表3) 。

贵州师范大学学报(自然科学版) 第18卷

表3 不同酸度时E a ( 10-5J ) 和b 酸 浓 度/mol ∃L -1

0 26060 52120 77601 04241 5399

E a b

1 0636 90

1 0436 89

1 0336 85

0 99635 98

0 9836 05

3 结果验证

3 1 速度常数的比较

应用表2中所列的k 与C H +的关系式, 将本文实验用的一组酸浓度代入计算不同温度下的k 值, 与实验值进行比较(见表4) 。

10

-1

-3

表4

温度/! 2226303438

值别实验计算实验计算实验计算实验计算实验计算

应用表2中各式求得不同温度下k 与实验值比较

0 7705 636 0611 5912 3617 7218 9029 9332 3652 0153 74

酸 浓 度/mol ∃L 1 0421 2918 9616 599 1418 1118 0127 5627 8946 2147 0772 0377 17

13 7922 5126 5335 3341 1557 3268 4393 19110 60

1 54017 6718 3735 6434 6454 6054 0092 6288 84143 34142 11

上述结果表明, 计算结果与实验测得结果较为吻合, 偏差在5%左右。用表2中关系式求得在30 0! 且C H +=0 2506mol/L 时, k =4 73 10

-1

[1]

-3-3

分吻合。

上述比较说明, 本文研究结果是准确的, 可靠的, 在较宽的温度和酸度范围内确立了蔗糖转化反应的速度常数k 与温度、酸度的定量关系。

min , 与文献提供的数据k =4 36 10

min -1十分吻合; 在30 05! , C H +=0 577mol/L

时, k =124 73 10-4min -1, 与文献[2]提供的122 10-4min -1吻合较好, 比文献[3]提供的k =115 10m in 更接近文献[2]的结果。3 2 活化能的比较

表3中的结果说明E a 和b 随酸度C H +的增加而减少, 与文献10

-5

[1]

-4

-1

参考文献:

[1]PM. Leininger, M. Kilptrick. T he rate constant of inv er sion reaction of sucr ose [J]. A m Chem Soc, 1938, 63:2891-2899

[2]H J. Heidt, C B. Purver. Inversion reaction of sucrose[J]. J Am Chem Soc, 1940, 62:1006-1009

[3]陈元发, 佴如庆, 陈全斌等 蔗糖转花速率常数与酸浓关系方程的确立[J] 广西师范大学学报(自然科学版) , 1993, 11(4) :57-62

中提供的结论是一致的。由本

-5

文得出C H +=0 2602mol/L 时的E a 为1 06

J 与文献[2]中提供的E a 为1 07 10

J 十