给排水观摩实验：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

1、给排水工程专业课内实验调整方案原方案：内容：任课老师自定；地点：云综教/课内实验；时间：第11周课周一1，2节，周三1，2节（共3小时）。调整方案：内容：旋光法测定蔗糖水解反应速率常数（物化实验项目）；地点：云塘工三B313；时间：第8周周六上午 8：0013：00 （1班）；第8周周六下午13：0018：00 （2班）；要求：1.正式实验之前，每人学习任课老师提供的实验电子资料并在正式实验报告用纸上书写实验预习报告；2.实验教学不允许迟到早退。3.观摩同期同学实验全过程；坚持自己做一遍的，可在之后自己做；要求每个人都要有老师签名的实验原始数据。4. 每人根据实验数据处理好数据，完成整个实验报

2、告；在实验日期之后的一周内交至实验室B313（从门下塞进来）。2011-4-9实验十 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数一、目的要求1 测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。2 了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系。3 了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法。二、基本原理1蔗糖在水中的转化蔗糖在水中转化成葡萄糖和果糖，其反应式为：C12H22O11（蔗糖）+H2O=C6H12O6（葡萄糖）+C6H12O6（果糖）它是一个二级反应，在纯水中反应极慢，通常需在H+催化作用下进行。由于反应时水是大大过量的，可近似认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，因此蔗糖转化反应可看作为一级反应。一级反应速

3、率方程为：-dc/dt=kc （10-1）式中c为反应时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。上式积分可得：lnc=lnc0-kt （10-2）c0为反应开始时反应物浓度。当c=（1/2）c0时，时间t可用t1/2表示，即为反应半衰期。从上式可得：t1/2=（ln2）/k=0.693/k （10-3）从（10-2）式可看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，并以lnc对t作图，可得一直线，由直线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。本实验利用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，系统在反应进程中旋光度的变化反映了反应物浓度的变化，用

4、测定不同反应时间t时反应系统的旋光度来得到对应时间t时的反应物浓度。2分子的旋光性和物质的旋光度分子呈现旋光性的充分必要条件是分子不能和其镜象分子完全重合。当满足这个条件时，物质即以两种被称为对映异构体的分子存在，仿佛人的左手和右手，也称手型分子。它们是一对等价而非全同的分子图形。并且两种对映异构体分子是具有相等强度、但方向相反的旋光能力的分子。于是在宏观上，某种具有对映异构体分子的物质当其两种对映异构体分子数量不等时必表现出有可测量的旋光性。蔗糖及其转化产物都含有不对称的碳原子，它们都具有旋光性。但是它们的旋光能力不同，故可利用系统在反应进程中旋光度的变化来度量反应的进程。测量物质旋光度所用

5、的仪器称为旋光仪。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 （10-4）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：D20=（·100）/（L·cA） （10-5）式中D20右上角的“20”表示实验时温度为20，D是指旋光仪所采用的钠灯光源D线的波长（即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性物质，其比

6、旋光度D20=66.6°；生成物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度D20=52.5°；但果糖是左旋性物质，其比旋光度D20=-91.9°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。因此随着反应的进行，系统的右旋角不断减小，反应至某一瞬间，系统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。设系统最初的旋光度为：0=反c0 （t=0，蔗糖尚未开始转化） （10-6）系统最终的旋光度为：=生c （t=，蔗糖已完全转化） （10-7）（10-6）和（10-7）式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

7、浓度为c，此时旋光度为t，即：t=反c+生（c0-c） （10-8）由（10-6）、（10-7）和（10-8）式联立可解得：c0=（0-）/（反-生）=（0-） （10-9）c=（t-）/（反-生）=（t-） （10-10）将（10-9）和（10-10）式代入（10-2）式即得：ln（t-）=-kt+ln（0-） （10-11）显然，如以ln（t-）对t作图可得一直线，从直线斜率即可求得反应速率常数k。3旋光仪工作原理光是电磁波，而电磁波是一种横波，即电磁波振动方向垂直于光的传播方向。由于发光体的统计性质，电磁波可以在垂直于光传播方向的任意方向上振动，这种光叫自然光。偏振器是一种只能让某一个方

8、向上振动的光通过的装置，这个方向叫做偏振器的透光轴方向。自然光通过偏振器（称为起偏器），只让振动方向与起偏器透光轴方向一致的光通过，得到只在一个方向上振动的光，这种光叫做平面偏振光。平面偏振光通过某种旋光物质时，偏振光的振动方向会转过一个角度，这个角度叫做旋光度。旋光仪是利用检偏器来测定旋光度的。检偏器也是一个偏振器，如果调节检偏器使其透光轴与起偏器的透光轴垂直，两个偏振器之间又设有旋光物质，则自然光通过起偏器后就不能通过检偏器，在检偏器后观察到的视场呈黑暗。现将盛满旋光物质的旋光管放入起偏器和检偏器之间，由于旋光物质的旋光作用，使原来由起偏器出来的平面偏振光转过一个角度，这样在检偏器的透光轴

9、方向上有一个分量，所以视野将不呈黑暗。这时如将检偏器也相应地转过一个角度，这样视野又将重新恢复黑暗。因此检偏器由第一次黑暗到第二次黑暗的角度差，即为被测物质的旋光度。旋光物质有右旋和左旋的区别。所谓右旋物质是指检偏器沿顺时针方向旋转时能使视野再次黑暗的物质。而左旋物质是指检偏器沿逆时针方向旋转而使之再次黑暗的物质。通常以右旋为正，左旋为负表示。现代旋光仪通过光-电检测、电子放大及机械反馈系统自动进行检偏器角度的调整，最后数字显示旋光物质的旋光度。本实验使用WZZ-2s型自动数字式旋光仪。三、仪器、试剂旋光仪 1台 恒温箱 1台恒温槽 1台 移液管（50mL） 1支移液管（25mL） 2支 带塞

10、锥形瓶（150mL） 2只洗耳球 1个 擦镜纸吸滤纸HCl溶液（4mol/L） 蔗糖（分析纯）四、实验步骤1将恒温水浴调节到所需的反应温度（如25、30或35）。并用恒温水在实验过程中一直恒温旋光管。2了解与熟悉旋光仪的构造与使用方法。接通旋光仪电源线，打开仪器左侧的电源开关，预热5min，使钠灯发光稳定。打开仪器左侧钠灯直流供电开关。按仪器正面的“测量”键，这时液晶屏应有数字显示。注意：开机后“测量”键只需按一次，如果再按此键，则仪器停止测量，液晶屏无显示。这时可再次按“测量”键，液晶屏重新显示，此时需重新校零。若液晶屏已有数字显示，则不需按“测量”键。3旋光仪的零点校正蒸馏水为非旋光物质，

11、可以用来校正旋光仪的零点（即=0时仪器对应的状态），并练习装样入旋光管的操作。校正时，先洗净旋光管，将管的一端加上盖子，并由另一端向管内灌满蒸馏水，在顶上形成一凸面，然后垂直轻轻地盖上玻璃片，套上套盖，旋紧。注意玻璃片紧贴于旋光管，管内不应有气泡存在。旋紧套盖时，一只手握住旋光管，另一只手旋套盖，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，再用擦镜纸将旋光管两端的玻璃片擦净，放入旋光仪的光路中。液晶屏显示数据后，接下仪器正面的“清零”键，使显示为零。4反应过程的旋光度测定洗净2只150mL带塞锥形瓶。在1只150mL锥形瓶内，用粗天年称取10g蔗糖，加入50mL蒸馏水，使蔗糖完全

12、溶解，若溶液混浊，则需要过滤。用一只移液管吸取50mL4mol·L-1的HCl溶液，置于另一只150mL锥形瓶中。将这两只锥形瓶加塞一起置于恒温水浴内恒温10min以上。然后将两只锥形瓶取出，擦干外壁的水珠，将HCl溶液倒入蔗糖水溶液中，蔗糖转化反应开始，故同时按动秒表开始记时。锥形瓶加塞，来回倒三、四次，使之混合均匀后，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，放进入旋光仪的光路中，测量各反应时间的旋光度。（注意荡洗和装样最多只能用去一半左右的反应液。）要求在反应开始后2-3min内测定第一个数据。以后每间隔一分钟测量一次。反应时间以秒表指示的时间为准，一直

13、测量到反应时间为50min为止。在此期间，将锥形瓶中剩余的反应液盖上瓶塞置于50-60的恒温箱内温热待用。注意温度不可过高，否则将产生副反应，溶液颜色变黄。并注意温热过程中避免溶液蒸发，影响浓度。由于酸会腐蚀金属部件，因此实验一结束，必须立即用水将旋光管等洗净。5的测量将已在恒温箱内温热40min以上的反应液取出，冷至实验温度下测定旋光度。在10-15min内，读取5-7个数据，如在测量误差范围内，则取其平均值，即为值。将恒温水浴的温度调高5，按上述实验步骤再测量一套数据。五、数据处理1分别将在两个不同反应温度下反应过程中所测得的旋光度t与对应反应时间t列表，作品t t曲线图。2分别从两条t t曲线上10-40min的区间内，