旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

1、旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数-陈昱彰 06333217 目的要求一 了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法 二 了解反应的反应物浓度与旋光度之间的关系 三 测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期 基本原理蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖, 其反应为C12H 22O 11 + H2O C6H 12O 6 + C6H 12O 6( 蔗糖 (葡萄糖 ( 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

2、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表示 Dc /D t =Kc ( 161 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 + LnCo (162C 0为反应开始时反应物浓度。当C=0.5Co 时, 可用T 1/2表示, 既为反应半衰期:T 1/2 =Ln2 / K = 0.693 / K (163从(162 式, 不难看出, 在不同时间测定反应物的相应浓度, 并以Ln 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的困难的. 但蔗糖及其转化物, 都具有旋光性, 而且它们的旋

3、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,旋光度与反应物浓度C 呈线形关系, 既 = C (164 式中比例常数与物质旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度、温度等有关。 物质的旋光能力用比旋光度来度量, 比旋光度用下式表示: D 20 =.100 / l .CA (165式中D 20右上角的“20”表示实验时温度为200C,D 是指用钠灯光源D 线的波长o(即589nm, 为测得的旋光度( ,l 为样品管长度( dm ,C

4、A 为浓度( g/100ml 。 作为反应物的蔗糖是右旋性物质, 其比旋光度D 20 = 66.6o ; 生成物中葡萄糖也是右旋性物质, 其比旋光度D 20 = 52.5o , 但果糖是左旋性物质, 其比旋光度D 20 = -91.9o . 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。设体系最初的旋光度为 0= 体系最终的旋光度为 =反C o ( t=0,蔗糖尚未转化 ( 166 C ( t=, 蔗糖已完全转化 ( 167

5、 生( 186 和( 187 中反和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t , 既 t =反C + 生(Co C ( 168 由( 186 、( 187 和 ( 188 联立可解得C0=(o -/( 反-生 = (o - ( 169 C=(t -/( 反-生 = (t - ( 1610 将( 189 和 ( 1810 代入(182 式既得Ln(t -=-Kt +Ln(o - ( 1611 显然, 以Ln(0- 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 0。 仪器 试剂旋光仪 恒温箱 容量瓶(50ml 锥形瓶(150m移液管(25ml

6、 蔗糖(分析纯 HCL 溶液(4.00mol/L 实验步骤 一、仪器装置请仔细阅读仪器九“旋光仪”，了解旋光仪的构造，原理，掌握使用方法。 二、旋光仪的零点校正蒸馏水为非旋光物资，可以用来校正旋光仪的零点（既=0时仪器对应的刻度）。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盖，玻璃片紧贴于旋光管，此时管内不应该有气泡存在。但必须注意旋紧套盖时，一手握住管上的金属鼓轮，另一手旋套盖，不能用力过猛，以免玻璃片压碎。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，调节目镜聚焦，使视野清晰，再

7、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，用来校正仪器系统误差。三、反应过程的旋光度的测定将恒温水浴和恒温箱都调节到所需的反应温度（如15C 、25C 、30C 或35C ）。 在锥形瓶内，称取20g 蔗糖，加入100ml 蒸馏水，使蔗糖完全溶解，若溶液混浊，则需要过滤。用移液管吸取蔗糖溶液25ml ，注入预先清洁干燥的50ml 试管内并加盖；同法，用另一支移液管吸取蔗糖溶液25ml 4.00mol.dm-3的的HCL 溶液，置于另一支50ml 试管内加盖。将这两支试管一起置于恒温水浴内恒温10min 以上，然后将两支试管取出，擦

8、干管外壁的水珠，叫盛有HCL 溶液的那支试管倒入蔗糖溶液中，同时记下反应开始的时间，迅速进行混合，使之均匀后，立即用少量反应液荡洗旋光管两次，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内，测量各时间的旋光度。第一个数据，要求在离反应起始时间12min 内进行测定。在反应开始15min 内，每分钟测量一次，以后由于反应物浓度降低，使反应速率变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放宽，一直测量到旋光度为负值为止。 四、的测量反应完毕后，将旋光管内反应液与试管内剩余的反应混合液合并，置于5060o C 的水浴内温热40min ，使其加速反应至完全。然后取出，冷至实验温度下测定旋光度，在10

9、15min 内，读取57个数据，如在测量误差范围，取其平均值，既为值。oooo五、同上法（步骤三、四）测量其它温度下不同反应时间对应的旋光度。 数据处理零点求算 反应过程的旋光度的测定 的测定温度:55 一、将反应过程所测得的旋光度t 和对应时间t 列表，作出t -t 曲线图。旋光度-时间 图4.84.64.44.24.03.83.63.43.2246810二、将t -t 曲线上，等间隔取8个（t -t ）数组，并通过计算，以ln （t -）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。 ln（t-）-t 图 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3

10、 1.2 10 15 20 25 30 35 由上图直线斜率（-0.03595）可知 K= 所以反应半衰期为： t1/2=ln2/k=0.693/k=0.693/0.03595=19.27min 评注启示 一、温度对反应速率常数影响很大，所以严格控制反应温度是做好本实验的关键，建议最好 用带有恒温夹套的旋光管。本实验因为在室温条件下测定，所以在测定过程中，为了防止由 于高压钠灯发光造成体系温度的上升， 引起测定结果的误差， 在测定时建议适时将样品管从 旋光仪中取出，测定计数时才放入。本实验最好在室温 15 度以上操作，以免实验时间过长， 此时旋光度与时间变化关系变成近似于直线的关系， 而实际则

11、应该为曲线关系， 故反应时间 控制在 3040min 为宜。 二、在混合蔗糖溶液时，我们是将 HCL 溶液加到蔗糖溶液中去的，可否将蔗糖加到 HCL 溶 液中？不能，因为将反应物蔗糖加入到大量 HCL 溶液时，一旦加入则马上会分解产生果糖 和葡萄糖，则在放出一半开始时，已经有一部分蔗糖产生了反应，记录 t 时刻对应的旋光度 已经不再准确。反之，将 HCL 溶液加到蔗糖溶液中去，由于 H+的浓度小，反应速率小，计 时之前所进行的反应的量很小。 三、的测量过程中，剩余反应混合液加热温度不宜过高以 5055为宜，否则有副反应 发生，溶液变黄。因为蔗糖是由葡萄糖的苷羟基与果糖的苷羟基之间缩合而成的二糖

12、。在 H+离子催化下，除了苷键断裂进行转化外，由于高温还有脱水反应，这就会影响测量结果。 四、蔗糖在纯水中水解速率很慢，但在催化剂作用下会迅速加快，其反应速率大 小不仅与催化剂种类有关而且与催化剂的浓度有关。 本实验除了用 H+离子作催化剂外，也可用蔗糖酶催化。后者的催化效率更高，并 -3 且用量大大减少。 如用蔗糖酶液 （35 活力单位/毫升） 其用量仅为 2mol.dm HCL ， 用量的 1/50。 蔗糖酶的制备可采用以下方法：在 50mL 清洁的锥形瓶中，加入鲜酵母 10g，同 时加入 0.8g 醋酸钠，搅拌 1520min，使团块溶化，再加入 1.5mL 甲苯，用软 o 木塞将瓶口塞

13、住， 摇荡 10min， 置于 37 C 恒温水浴中， 保温 60h。 取出后加入 1.6mL -3 醋酸溶液（4 mol.dm ）禾 mL 蒸馏水，使其中 pH 为 4.5 左右，摇匀。然后用离 心机，以 3000r/min 的转速，离心 30min，取出后用滴管将中层澄清液移出，放 置于冰柜中备用。 本实验用 HCL 溶液作催化剂（浓度保持不变）。如果 HCL 浓度，其蔗糖转化速率 也随着变化。详见表 18-1。反应所用蔗糖溶液初始浓度为 20%。 五、温度对测定反应速率常数影响很大，所以严格控制反应温度是做好本实验的 关键。建议在反应开始时溶液的混合操作在恒温箱中进行。 反应进行到后阶段

14、，为了加快反应进程，采用 5060 C 恒温，使反应进行到底。 但温度不能高于 60oC，否则会产生副反应，使反应液变黄。因为蔗糖是由葡萄糖 + 的苷羟基与果糖的苷羟基之间缩合而成的二糖。在 H 离子催化下，除了苷键断裂 进行转化反应外，由于高温还有脱水反应。这就会影响测量结果。 六、这里介绍一个重要概念假级反应。 对于蔗糖水解：C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 ( 蔗糖 (葡萄糖 ( 果糖 o 人们发现该反应速率为：v=kc（C12H22O11）。因为溶剂水参加反应，预计其速率定 律应具有：v=k´cm（C12H22O11）cn（H2O）的形式。由

15、于水是大量存在的，各次实 验中，水的浓度几乎保持不变。因此，可以认为：k= k´cn（ H2O）。这个反应称 为假一级反应，或称准一级反应。 欲测定 n 是很困难的但动力学表明 n=6。这可以用包含六合水化蔗糖的反应 历程予以解释。 假级数包括在催化反应中，催化剂影响速率，但在反应中不损耗。在一次实 验中，H30+浓度固定白变。然而，改变 c（H30+）进行一系列实验中，人们发现实 际上速率对 H30+为一级反应。对于蔗糖水解的正确速率为 v=k´´c（C12H22O11）c6 （ H2O）c （H30+）反应为 8 级。然而在某一次实验中，它的表观（或假）级数

16、为 1。 本实验在安排上，由于时间原因，采用测定两个温度下的反应速率常数来计 算反应活化能。如果时间许可，最好测定 5 至 7 个温度下的速率常数，用作图法 求算反应活化能 E，更合理可靠些。 根据阿仑尼乌斯方程的积分形式： Ln k =-E/RT + 常数 测定不同温度下的 k 值，作 Ln k 对 1/T 图，可得一条直线，从直线斜率求算反 应活化能 E。 提问思考 一、实验中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，试问在蔗糖转化反应过程中所 测的旋光度t 是否必须要进行零点校正？ 答： 蔗糖溶液以蒸馏水作溶剂， 故用纯蒸馏水作零点校正。 蔗糖转化反应过程中， 无须再作零点校正，因都以蒸馏水作校

17、正，只需校 正一次。 二、配置蔗糖溶液时称量不够准确，对测量结果是否有影响？ 答：没有影响，由此式可知 Ln(t-=-Kt+Ln(o-，我们要求的速率常 数和半衰期和蔗糖浓度无关所以配置溶液时不必足够精确。 三、混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，我们将盐酸加到蔗糖溶液里去了，可否将蔗糖 溶液加到盐酸溶液中去？为什么？ 答：不能，因为将反应物蔗糖加入到大量 HCL 溶液时，一旦加入则马上会分解产 生果糖和葡萄糖，则在放出一半开始时，已经有一部分蔗糖产生了反应，记录 t 时刻对应的旋光度已经不再准确。反之，将 HCL 溶液加到蔗糖溶液中去，由于 H+的浓度小，反应速率小，计时之前所进行的反应的量很小。 注意 1、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。 2、测量完毕的溶液要倒入烧杯中，以防丢失样品管的盖玻璃。 3、为确保能尽快读出第一个数据，事先要熟悉装样方法。 4、用反应液涮洗样品管