物理化学――旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

1、物理化学旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数摘要:了解旋光仪的基本原理,掌握旋光仪的正确使用方法;了解反应物浓度与旋光度之间的关系;测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。关键词:旋光度,浓度,速率基本原理蔗糖在水中转化成葡糖糖和果糖,其反应为:C12H22O11 (蔗糖+ H2O C6H12O6(葡萄糖 + C6H12O6(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H+在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由下式

2、表示:-dc/dt = kc (1式中c为时间t时的反应浓度,k为反应速率常数。上式积分可得: ln c = ln c0 kt (2 c0为反应开始时反应物浓度。当c = 0.5 c0时,时间t可用t1/2表示,即为半衰期:t1/2 = ln2/k = 0.693/k (3从(2式可看出,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,由直线的斜率即可求得反应速率常数k。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。但蔗糖及其转化产物,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的旋光度的变化来度量反应的进程。测量物质旋光度所用的仪器称为旋光仪

3、。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关系。当其他条件均固定时,旋光度与反应物浓度c呈线性关系,即= c(4式中比例常数与物质旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关系。物质的旋光能力用比旋光度来度量,比旋光度用下式表示:D20 = 100·/(l·cA (5式中的20是表示的室温,单位是摄氏度,D是指旋光仪所采用的钠灯光源D线的波长(589nm,为测得的旋光度,l为样品管长度(dm,cA为浓度(g /100mL。作为反应物的蔗糖是右旋物质,其比旋光度为66.6°生成物葡萄糖也是右旋物质,其比旋光度为

4、52.5°但果糖是左旋物质,其比旋光度是-91.9°。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖的右旋性大,所以,所以生成物呈现左旋的性质。因此随着反应的进行,体系的右旋角不断减小,反应至某一瞬间,体系的旋光度可恰巧好等于零,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。设体系最初的旋光度为:0=反c0(t=0,蔗糖尚未转化(6体系最终的旋光度为:=生c 0(t=,蔗糖已完全转化 (7 式中反和生分别为反应物和生成物的比例常数。当时间为t 时,蔗糖浓度为c ,此时旋光度为t ,即 t =反c + 生(c 0-c (8 由式(6、(7、(8联立可解得:c 0 = (0 -/(

5、反- 生 = (0 - (9 c = (t -/(反- 生 = (t - (10 将式(9、(10代入(2即得:ln(t - = -kt + ln(0 - (11 显然,如以ln(t -对t 作图可得一直线,从直线的斜率即可求得反应速率常数k 。1.仪器与试剂旋光仪、移液管、恒温箱、恒温槽、试管、移液管 蔗糖、HCl2.实验步骤2.1 仪器的装置2.2 旋光仪的零点校正蒸馏水为非旋光物质,可以用来校正旋光仪的零点。校正时,先洗净样品管,将管的一端加上盖子,并由另一端向管内灌满蒸馏水,在上面形成一凸面,然后盖上玻璃片和套改,玻璃片紧贴与旋光管,此时管内不应该有气泡存在。必须注意旋紧套盖时,一只手

6、握住管上的金属鼓轮,另只一手旋套盖,不能用力太猛,以免压碎玻璃片。然后用吸滤纸将管外的水擦干,再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦净,放入旋光仪的光路中。打开光源,调节目镜焦距,使视野清晰,再旋转检偏镜至能观察到三分视野暗度相等为止。记下检偏镜的旋光度,重复测量数次,取其平均值。此平均值即为零点,用来矫正仪器系统误差。 2.3 旋光度的测定将恒温水浴和恒温箱调节到所需的反应温度25。在烧杯中称取20g 蔗糖,加入100mL 蒸馏水,使蔗糖完全溶解,若溶液浑浊,则需要过滤。用移液管吸取蔗糖溶液25mL ,注入预先已清洁干燥的50ml 试管内并加盖;同法,用另一只移液管吸取25ml 的4mol/L 的

7、HCl 溶液,置于另一只50ml 试管内并加盖。将这二只试管一起置于恒温水浴内10min 以上。然后将二试管取出,擦干试管外壁的水珠,将HCl 溶液倒入蔗糖溶液中,同时记下时间,来回倒三四次,使之均匀后,立即用少量反应液荡洗旋光管二次,然后将反应液装满旋光管,旋上套盖,放进已预先恒温的旋光仪中,测定个时间的旋光度。要求在反应开始后2到3min 内测定第一个数据。在以后的15min 内,每间隔一分钟测量一次。随后由于反应物浓度降低而使反应速率变慢,此时可将每次测量的时间间隔适当放宽,一直测量到反应时间为50min 为止。在此期间,将剩余的另一半反应液置于50至60是水浴内温热待用。 2.4 的测

8、定将已在水浴内温热40min 的反应液取出,冷至实验温度下测定旋光度。在10到15min 内,读取5到7个数据,如在测量误差范围内,取其平均值,即为值。3.实验数据实验温度:16.5 实验压强:95.05 KPa t/min t/min t/min 1.93 9.70 10.96 7.30 24.12 5.25 3.05 9.40 11.92 7.20 26.25 5.05 4.16 9.10 12.93 7.05 28.38 4.55 4.91 9.05 13.90 6.85 31.32 4.35 5.83 8.50 14.98 6.75 34.28 4.10 7.02 8.20 15.99

9、 6.40 37.27 3.75 8.01 8.05 17.88 6.15 40.28 3.35 8.92 7.85 20.02 5.80 43.32 3.20 9.977.4522.175.5046.672.80 的测定,数据如下: 计算: =-3.58°。在t t 曲线上1540min 的区间内,取8个等间距离相近且线性较好的(t t 数组,并通过计算,以(t 对t 作图:t t /° t /° (t 15.99 6.40 11.15 2.411439 20.025.8010.552.35612624.12 5.25 10 2.30258526.25 5.05 9.8 2.28238231.32 4.35 9.1 2.20827434.28 4.10 8.85 2.18041737.27 3.75 8.5 2.14006640.28 3.35 8.1 2.091864 4.结果讨论与分析(1蔗糖转化反应是一个准一级反应,按照一级反应的速率方程求得该反应的速率常数,测得蔗糖转化反应的速率常数为-0.046。(2用蒸馏水来校正旋光仪的零点,而我们实验时是用蒸馏水来配制的蔗糖溶液,因此蔗糖反应过程中所测得的旋光度t没有必要再进行零点的校正。配制蔗糖溶液时,若称量不够准确,对实验结果没