实验十一蔗糖水解反应

1、 实验十 蔗糖水解反应 【实验目的】 1. 测定不同温度时蔗糖转化反应的速率常数和半衰期，并求算蔗糖转化反应 的活化能。 2. 了解旋光仪的构造、工作原理，掌握旋光仪的使用方法。 【基本要求】 1. 了解在蔗糖反应的动力学方程式中，任何时刻t的蔗糖浓渡可以被反应体 系在该时刻的选光度与反应终了时的选光度之差所替代的依据。 2测定蔗糖转化率的速率常数的半衰期。 3 了解旋光仪的基本原理，掌握其实用方法。 【实验原理】 蔗糖转化反应为： C12H2O1 + H2O f C6H12Q + C6H2Q 物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、光源波长及温度等因素有关。 蔗糖 葡萄糖 果糖 为使水解反应

2、加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。由于反应 中水是大量的，可以认为整个反应中水的浓度基本是恒定的。而是催化剂，其 浓度也是固定的。所以，此反应可视为准一级反应。其动力学方程为 dC ,厂 kC dt 式中，k为反应速率常数；C为时间t时的反应物浓度。 将(1)式积分得： InC - -kt In C0 式中，G为反应物的初始浓度。 当C=1/2Co时，t可用ti/2表示，即为反应的半衰期。由 丄 In 20.693 T， 1/2 k k (2)式可得: 蔗糖及水解产物均为旋光性物质。但它们的旋光能力不同, 故可以利用体系 在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。溶液的旋光度与溶液

3、中所含旋光 为了比较各种物质的旋光能力，弓I入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表 示： 式中，t为实验温度C) ； D为光源波长；a为旋光度；I为液层厚度(m); C为浓 3 度(kg2m -)。 由(4)式可知，当其它条件不变时，旋光度a与浓度C成正比。即： a = KC(5) 式中的K是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素 有关的常数。 在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质，其比旋光度a 20 =66.6。产物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度a 20=52.5 ；而产物中 的果糖则是左旋性物质，其比旋光度a 20=-91.9。因此，随着水解反应的进 行，右旋

4、角不断减小，最后经过零点变成左旋。旋光度与浓度成正比，并且溶液 的旋光度为各组成的旋光度之和。若反应时间为 0，t，时溶液的旋光度分别用 a o， a t， a 8 表示。贝 a o= K反Cd (表示蔗糖未转化)(6) a 8 = K生 C0 (表示蔗糖已完全转化)(7) 式(6)、(7)中的K反和K生分别为对应反应物与产物之比例常数。 a t = K 反 C + K 生(C0 C)(8) 由、(7)、(8)三式联立可以解得： 0 一 “ 、 Co 0K ：0-(9) K反-K生 at a* C 二K ；一： ：-(10) K IZ 反一 K生 将(9)、(10)两式代入 式即得： ln :

5、 t： - -kt ln ： o -二二(11) 由(11)式可见，以ln( a taj对t作图为一直线，由该直线的斜率即可求得反 应速率常数k。进而可求得半衰期11/2。 根据阿累尼乌斯公式InE =巳一)，可求出蔗糖转化反应的活化能 巳。 k,RT；T2 【仪器试剂】 旋光仪1台；恒温旋光管1只；恒温槽1套；台称1台；停表1块;烧杯(100mL)1 个；移液管(30mL)2只；带塞三角瓶(100mL)2只。 HCI溶液(4或2mol2dm-3);蔗糖(分析纯)。 【实验步骤】 1. 将恒温槽调节到(25.0 0.1) C恒温，然后在恒温旋光管中接上恒温水。 2. 旋光仪零点的校正 洗净恒温

6、旋光管，将管子一端的盖子旋紧，向管内注入蒸馏水，把玻璃片盖 好，使管内无气泡(或小气泡)存在。再旋紧套盖，勿使漏水。用吸水纸擦净旋 光管，再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净。放入旋光仪中盖上槽盖，打开光源， 调节目镜使视野清晰，然后旋转检偏镜至观察到的三分视野最暗且暗度相等为止， 记下检偏镜之旋转角a，重复操作三次，取其平均值，即为旋光仪的零点。 3. 蔗糖水解过程中a t的测定 用台称称取20g蔗糖，放入250mL烧杯中，加入100mL蒸馏水配成溶液(若溶 液混浊则需过滤)。用移液管取30mL蔗糖溶液置于100mL带塞三角瓶中。移取 30mL4mol2dm3HCI溶液于另一 100mL带塞三角瓶

7、中。一起放入恒温槽内，恒温 10mi n。取出两只三角瓶，将HCI迅速倒入蔗糖中，来回倒三次，使之充分混合。 并且在加入HCI时开始记时，将混合液装满旋光管(操作同装蒸馏水相同)。装好 擦净立刻置于旋光仪中，盖上槽盖。测量不同时间t时溶液的旋光度a t。测定时 要迅速准确，当将三分视野暗度调节相同后，先记下时间，再读取旋光度。每隔 一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每 3min读一次，30min后，每5min读一 次。测定1h。 4. a t的测定：将步骤3剩余的混合液置于近60C的水浴中，恒温30min以 加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即为a t。 5. 另取

8、30ml蔗糖溶液，将恒温槽调节到(30.0 0.1) C恒温，按实验步骤3、 4测定30.0 C时的a t及a“ 6. 本实验也可采用自动旋光仪进行测定，其操作步骤与本实验相同。自动旋 光仪的使用方法见第一篇第五章光学测量技术及仪器。 【注意事项】 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。 在测定a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 60C,加热过程要防止溶剂挥发，溶液浓度变化。 由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴漏到仪器上。实验 结束后必须将旋光管洗净。 旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启，测量间隔较长时应关闭几min，下一次 测量

9、前5min开启使光源稳定，以免损坏。 【数据处理】 1. 将实验数据记录于下表： 温度： ； 盐酸浓度:； a ： 反应时间 a t a t a ln( a t a ) 2. 以ln（ a t -a）对t作图，由所得直线的斜率求出反应速率常数k 3. 计算蔗糖转化反应的半衰期tl/2。 4. 由两个温度测得的k值计算反应的活化能。 【实验讨论】 1. 测定旋光度有以下几种用途：（1）鉴定物质的纯度；（2）决定物质在溶液 中的浓度或含量；（3）测定溶液的密度；（4）光学异构体的鉴别等。 2. 古根哈姆（Guggenhein）曾经推出了不需测定反应终了浓度（本实验中即 为a ）就能够计算一级反应速

10、率常数k的方法，他的出发点是因为一级反应在时 间t与t - t时反应的浓度C及C 可分别表示为： kt c= ce Co为起始浓度; c =coe-kt七) 由此得In (c c ) = kt + ln Co (1 e )，因此如果能在一定的时 间间隔 t测得一系列数据，则因为 t为定值，所以In (c-c)对t作图, 即可由直线的斜率求出k。 【实验成败的关键】 1速率常数k与H浓度有关，所以酸的浓度必须精确。 2温度对K的影响不能忽视，为此实验过程应尽可能保持恒温。 3蔗糖溶液的浓度可粗略配制，因为蔗糖溶液的浓度不影响速率常数，且我 们是测旋光度来测量速率常数。 【思考题】 1. 实验中，为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点？