实验指导下载-实验8

1、次课 4学时本次课题(或教材章节题目):实验15蔗糖水解反应速率常数测定教学耍求：学习测定反应级数、反应速率常数的方法；掌握旋光仪的使用；掌握通过测量 系统物理量跟踪反应系统浓度的方法。通过实验应该理解动力学实验数据对研究动 力学的重要性。重 点：掌握测定反应速率常数的方法；掌握旋光仪的的使用和基本测量原理难点：旋光仪的使用。教学手段及教具：演示讲授，实际操作。讲授内容及吋间分配：演示讲授实验原理、实验步骤及注意事项、数据处理0.5h实验操作3.5h课后作业对实验数据进行处理，完成实验报告各项内容。参考资料1河北科技大学物理化学教研室编，物理化学实验，北京理工大学 出版社,20052. 屈景年

2、，莫运春，刘梦琴，曾荣英.旋光法测蔗糖水解反应速 率常数实验的改进j大学化学，2005, (01)3. 张大飞.蔗糖水解反应速率常数的另一种处理方法j.集宁师 专学报，2000, (04)4. 王立斌，陈福忠.蔗糖水解反应速率常数测定实验的改进j 通化师范学院学报，2004, (08)5. 施民梅，于庆水.蔗糖水解反应动力学实验的两点改进j.沧 州师范专科学校学报，2003, (04)6. 陈文娟，胡治元.“蔗糖水解反应速率常数测定”实验数据处理 的改进j洛阳工业高等专科学校学报，2004, (03)7屈景年,莫运春，刘梦琴，曾荣英.旋光法测蔗糖水解反应速率常 数实验的改进j大学化学，2005

3、, (01)实验15蔗糖水解反应速率常数测定一、实验目的1. 学习测定反应级数、反应速率常数的方法；2. 掌握旋光仪的使用；掌握通过测量系统物理量跟踪反应系统浓度的方法。二、实验原理蘆糖水溶液在h+存在的条件下，按下式进行水解：ci2/22on（蔗糖） + h20 |/ri >c6h12o6（果糖） + c6h12o6（葡萄糖）在该反应中，h+是催化剂，当温度、h+浓度一定时，反应速率与蔗糖和水的浓度成止 比，bu： = kcacb（ 15.1）dt a b式小，s、s分别代表蔗糖浓度和水的浓度。当蔗糖浓度很低时，反应过程小h2o浓度相对与蔗糖浓度改变很小，故，可近似认 为cb为常数，令

4、：(15.2)(15.3)(15. 4)(15.5)k cb =k =常数则（15.1）式可写成：将（15.3）式分离变量后进行定积分：当t=0 时，ca=cao ;t=t 时 ca=ca；定积分式为：匕。5）积分结果：nca = 一好 + in %（15.5）式是in。"的直线方程。反应进行过程中，测定不同时刻t吋反应系统中蔗糖的 浓度5,取得若干组ca> t的数据后，以inca对t作图，得一直线，表明该反应为一级 反应（准一级反应），直线斜率为k。物理化学的研究方法是采用物理的方法测定反应系统某组分的浓度，所谓物理的方 法是利用反应系统某组分或各组分的某些物理性质（如面积、

5、压力、电动势、折光率、 旋光度等）与其冇确定的单值函数关系的特征，通过测量系统中该物理性质的变化，间 接测量浓度变化。此种物理化学的实验方法最人的优点是可以跟踪系统某组分或各组分的物理性质的变化，从而，不需要终止反应，便可以随时测定某一时刻反应系统某组分 或各组分的浓度。本实验利用反应物与产物旋光度这一物理性质上的差异确定反应系统屮反应物浓度实验过程屮某一时刻反应系统中蔗糖浓度ca与同一时刻反应系统的旋光度弘、反 应完成时反应系统的旋光度卩。oz差成正比，即：(15.6a)(15.6b)口时， ca* r 卩00； 或ca = f(仇一卩8)式小f是比例系数。同理,t=o 时,ca=cao,(

6、15.7a)(15.7b)cao* r)际 或：cao=f(po-pa>);(15.6b)式除以(15.7b)代入(15.5)式得：则,inca()皿龙 - 08)=-加 + ln(0o - 08)(15.8a)(15.8b)(15.8b)%ln(q-0jt的宜线方程，式中，卩°、弘为反应初始及反应终了时反应系统的 旋光度，它们均不随时间改变。实验过程中只需要测定反应进行的不同时刻t时反应系 统的旋光度卩(若干个数据)和反应终了时反应系统的旋光度仏(一个数据)，以 in(龙-0丿对t作图得一直线，直线斜率为一k,用作图法可求出反应速率常数k。卩。o也可以不测，而用数据处理中介绍

7、的方法计算得到。关于偏振光的知识在物理课中己经有所介绍，以下就本实验有关的问题介绍如下：当偏振光通过旋光物质的溶液时，偏振光的振动面偏转一定角度卩，此角度的大小 与偏振光通过的溶液浓度c及液层厚度l成止比，即：0 xcm(15.9a)写成等式为：/3 = axcxl(15.9b)(15.9b)式中扌为被测溶液的比旋光度，即当旋光物质溶液浓度c为lkg.dm 3,液层 厚度为0m时溶液的旋光度。又因为光波的波长对旋光度有影响，故规定以20°c的钠 光(波长为2896xl(y9m,记为“d”)为标准,记作黑使偏振光顺时针偏转的物质称为右旋物质，反之为左旋物质，以右旋为正，左旋则 为负。木

8、实验所涉及的三种旋光物质的比旋光度分别为：蔗糖：6z= 66.55°葡萄糖：|a|=52.50o果糖：賞二一91.90。以此为根据，可以判断本实验反应系统的旋光度，反应初始时应为正值，随着反应 的进行，旋光度逐渐减小，反应终了时，反应系统的旋光度为负值。三、仪器药品旋光仪一台；25ml移液管两支；洗耳球一个；100ml三角瓶一个（带胶塞）；盐酸 水溶液2mol.dm'3 （或3mol.dm'3） ； 0.25kg.dm'3蔗糖溶液；恒温水浴一套（共用，当用数 据处理中介绍的方法计算艮时，不用恒温水浴）。u!1测定旋光仪零点：旋光仪接通电源，点亮钠光灯，等约51

9、0分钟，待光源正常 后，测零点，测量方法有二：当采用测量虫的方法进行实验时，旋光仪内不装入旋光管，盖上盖，调整焦距， 使视野清晰，然后缓慢转动手轮，使视野中的三部分亮度均匀（注意，此时三部分亮度 均匀但较暗），从刻度盘游标尺上读取读数（在零度附近），其精度为0.05%当用数据处理屮介绍的方法计算卩。o,而不测量时，将旋光管内灌满纯净的蒸憾 水，放入旋光仪，盖上盖，调整焦距，使视野清晰，然后缓慢转动手轮，使视野中的三 部分亮度均匀（注意，此时三部分亮度均匀但较暗），从刻度盘游标尺上读取读数（在 零度附近）,其精度为0.05%2. 反应系统旋光度的测定：用指定移液管取25ml蔗糖溶液置于碘量瓶屮，

10、用另一支 移液管取25ml盐酸溶液迅速注入碘量瓶中，注入一半时开始记时，全部注入后，将混 合液摇均匀，灌入准备好的、洁净的旋光管，盖上小玻璃片及管盖，擦干旋光管，将旋 光管放入旋光仪，尽快（最好在记时后5分钟z内）测定反应系统的第一个旋光度庆 方 法同t,此后，分别测量第 10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、90 分钟 左右系统的旋光度。3. 良的测量：将盛有剩余溶液的三角瓶作上标记，放入公用的恒温水浴屮，恒温 4560分钟后,取出自然冷却至室温,“2”步完成后,将旋光管中溶液倒掉,灌入三角 瓶屮的溶液，按照“2”屮介绍的方法测量限。测量一次以后，隔约20分钟后，

11、再测量一 次，两次测量结果基本相同说明反应已进行到底。五、注意事项1先掌握旋光仪的使用，主要是掌握三分视野均匀ii很喑的视野的确定.2. 旋光管在应用前必须洗干净，实验完成后先用自來水洗净，再用蒸懾水涮净；3. 液体装入旋光管后，管内不能有大气泡，光路内不能有气泡，有小气泡，可将其 赶至旋光管的凸部。4旋光管必须擦净后才能放入旋光仪，否则液体中的盐酸会腐蚀仪器；5. 旋转手轮（旋转检偏镜）时，动作不能过猛，并尽可能顺时针旋转6. 每次测量后，应将旋光管取出，卜次测量而再放入，避免仪器升温给测量带來谋7. 转动检偏镜，找到三分视野均匀但较喑处即为溶液该时刻的旋光度，注意与三分 视野均匀但很亮处的

12、区别。六、数据记录实验温度：测量前to二29 °c；测量前td二28 °c；平均温度tm= 28.5 °c 旋光管氏度：l= 2 dm；反应液屮蔗糖溶液的初始浓度：“0=0.125 kg <dm-3反应液中盐酸溶液的浓度：ch = 1.00 mol dm-3表i实验数据记录表时间t/min610162030456090too旋光度b t/°11. 7010. 859. 65& 506. 203. 852. 10-0. 40-5. 10七、数据处理（1）.用测得的不同时刻t时的卩（减同一个卩。o,得一组卩（一限，取自然对数（或常用 对数）得i

13、n（卩厂卩j数据，记入下表2.13.2。表2数据处理记录表时间t/min旋光度b t /°611.7016. 802. 821010. 8515. 952. 77169. 6514. 752. 69208. 5013. 602.61306. 2011. 302. 42453. 85& 952. 19602. 127. 201.9790-0. 404. 701.55too-5. 100在坐标纸上，以ln(p-poc)为纵坐标，以t/min 为横坐标绘图得一直线，在线上取点求直线斜率m, 由直线斜率求出反应速率常数m/min =爲加(0,0)加(几0)加(q-仗)“-加 0-0)

14、min3.0 h2.8-2.6-24-1.8-1.6-1.420406080100t/ming| 2.2-g二 20-巾= 0.01542min=0.01542 mm-1八、思考题1蔗糖浓度、盐酸浓度对反应速率常数k有什么影响？答：蔗糖的浓度对£没有影响；盐酸是催化剂，其浓度对k有影响，盐酸浓度越 高，k值越大。2某一吋刻数据未来得及测出怎么办？答：反应开始后，任何时刻的ln(pt - p j与t的关系都符合直线关系，故可以测 量相邻任意时刻(如下一分钟)的数据。3. 如何确认反应终了吋的b 可靠？答：反应结束后，如果温度不变，b 8值不再改变，两次测量b 8值基本不变(考虑 读数误

15、差，故基本不变)就可以认为boo可靠。4. 旋光管内有小气泡怎么办？答：将小气泡赶到玻璃球处，使光路中没有气泡即可。5. 为什么用测量0 8的方法吋，零点的测量吋可以不放入旋光管？答：因为数据处理时，用1 n ( p t - p .)对t作图，仪器零点对零点的影响在bl- 0 8中已经减掉了。6. 旋光仪的零点是怎么设计的？答：旋光仪的零点设计使检偏镜的透光轴处于起偏镜透光轴与石英玻璃透光轴两轴 垂直线的角平分线上。九、旋光仪介绍1 旋光仪结构wxg-4型旋光仪如图所示：图2. wxg4型旋光仪1.钠光灯2.起偏镜3.石英玻离片4.旋光管5.检偏镜6.手轮7.游标刻度盘8.焦距调节钮9目镜2.

16、测量原理口钠光灯发出的波长为28902896a的非偏正光，经起偏镜2后成为强度为e）的偏 振光（图2.13.2a所示）。起偏镜后面的石英玻离片3是旋光物质,其旋光度约为3。,其宽度 为起偏镜直径的三分之一，放置在光路的中间，将光路的视野分成了三部分（图2.13.2b所 示）。若i、iii部分偏振光（电磁波）的振动方向为0。（图屮aa），则第ii部分偏振光 的振动方向为右旋3。（图中bb）。调零点吋，若将检偏镜6偏振光振动化方向kk与aa垂直（图2.13.2c所示），根据 物理学中的马吕萨定律：e=eocos2eo-起偏镜振动化方向与检偏镜振动化方向的夹角。此时从目镜中看进去，视野的i、iii部

17、分是黑的（ei=eui=eocos290°=0）,而位 于中间的第ii部分是亮的，不过光强度很小（eh二e0cos287°）o若将检偏镜偏振光振动化 方向kk与bb垂直（图2132d所示）,则位于中间的第ii部分是黑的（ei二 eocos290°=0）,而视野的i、iii部分是亮的，同样光强度很小（ei=ehi=eocos293°） o旋光仪把仪器的零点设计在了 oo轴位置上（图2.13.2e所示），在此位置上00轴与 aa轴的夹角00轴与bb轴的夹角同为88.5。（90多冗在此位置,®光路视 野的三部分强度相等（ei = en=ein= eo

18、cos288.5°）。若00轴稍偏于aa轴，i、iii部 分变黑，第ii部分变亮，反zoo轴稍偏于bb轴，第ii部分变黑，i、iii部分变亮， 有明与暗的比较，偏于零点位置时容易鉴别，可使仪器的测量精度较高。起偏镜 石英玻片检偏镜检偏镜 检偏镜检偏镜bed图2.13.2旋光仪测量原理示意图放入装有旋光物质的旋光管后，旋光物质把aa、个彳削的偏振光同吋偏转一 角度卩，此吋光路视野必然变化。将检偏镜同样旋转事戈到u洛三分视野均匀，光 强度很小的位置，检偏镜从零点旋转到此位置的角度卩，可以从游标刻度盘上读到，此 角度就是旋光物质的旋光角。要注意的是，若将检偏镜偏振化方向置于aa轴与bb轴夹角的平分线