蔗糖水解反应速率常数的测定

1、实验 蔗糖水解反应速率常数的测定一、实验目的1. 测定蔗糖水解反应速率常数和半衰期2. 了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系3. 了解旋光仪器仪的基本原理,掌握旋光仪的正确使用方法二、实验原理蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为：C12H22O11 + H2OC6H12O6 + C6H12O6(蔗糖) (葡萄糖) (果糖)它属于二级反应，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。由于反应时水大量存在，尽管有部分水分子参与反应，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表示

2、：式中c为时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。积分可得： Inc=kt + Inc0c0为反应开始时反应物浓度。一级反应的半衰期为： t1/2=从上式中我们不难看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，是可以求出反应速率常数k的。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。但是，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旋光度的变化来度量反应进程。测量物质旋光度所用的仪器称为旋光仪。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。当其它条件均固定时，旋光度与反应物浓度c呈线性关系，即=Kc式中比例

3、常数K与物质旋光能力，溶剂性质，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：式中“20”表示实验时温度为20，D是指用纳灯光源D线的波长（即589毫微米），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，其比旋光度=66.6；生成物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度=52.5，但果糖是左旋性物质，其比旋光度=91.9。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈左旋性质。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

4、最大值。设最初系统的旋光度为 0=K反cA,0 （t=0，蔗糖尚未水解）（1）最终系统的旋光度为 =K生cA,0 （t=，蔗糖已完全水解）（2）当时间为t时，蔗糖浓度为cA，此时旋光度为tt= K反cA+ K生(cA,0cA) (3）联立（1）、（2）、(3)式可得：cA,0=K（0） (4)cA= K（t） (5)将（4）、（5）两式代入速率方程即得：In(t)=kt+In（0）我们以In(t)对t作图可得一直线，从直线的斜率可求得反应速率常数k，进一步也可求算出t1/2。三、仪器与试剂旋光仪 一台 50mL移液管 一支恒温水槽 一套 150mL锥形瓶 一支秒表 一支 蔗糖 分析纯台秤 一台

5、 HCL溶液 4mol/L滤纸 擦镜纸四、旋光仪原理光路：起偏镜石英条样品管检偏镜刻度盘望远镜人眼从钠灯光源发出的光线通过（聚光镜、滤色镜、经检偏镜）起偏镜成为平面偏振光，在半波片处产生三分视场。如图所示：大于或小于零视场 零视场 大于或小于零视场当视场中三部分暗度一致时（如零视场图），对应仪器零点，当然，有时仪器存在系统误差，需要进行零点校正。当放入待测溶液的试管后，由于溶液的旋光性，使平面偏振光旋转了一个角度，零度视场发生了变化，三分视场的暗不再一致。此时转动检偏镜一定角度，能再次出现暗度一致的视场。检偏镜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。五、实验步骤1了解旋光仪的构造

6、、原理，掌握其使用方法。2用蒸馏水校正仪器的零点：蒸馏水为非旋光性物质，可用来校正仪器的零点（即=0时，仪器对应的刻度）。洗净样品管，将样品管一端盖子打开，转入去离子水，使液体成一突出液面，然后盖上玻璃片，此时管内不应有空气泡存在，再旋上套盖，使玻璃片紧贴旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时，不能用力过猛，以免压碎玻璃片，用滤纸擦干样品管，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。放入旋光仪，打开电源，预热5-10min，钠灯发光正常。调目镜聚焦，使视野清晰；调检偏镜至三分视野暗度相等为止，记录游标（右边）刻度为检偏镜旋角，记录仪器零点。读数注意0度以下的实际旋光度（读数-180）。读数三次取平

7、均值，即为零点，用来校正仪器的系统误差。3蔗糖水解反应及反应过程旋光度的测定：取10克蔗糖放在锥形瓶中，用量筒加50ml去离子水倒入使其融解。用50ml移液管移取25mlHCL溶液放入蔗糖水溶液，边放边振荡，当HCL溶液放出一半时按下秒表开始计时（注意：秒表一经启动，勿停直至实验完毕）。迅速用反应混合液将样品管洗涤三次后，将反应混合液装满样品管，擦净后放入旋光仪，测定规定时间的旋光度。测得第一个数据时间应该为反应开始的前三分钟内。测量时先将三分视场调节到全暗，再记录时间（注意时间要记录准确，以实际反应时间为准），后读数。反应开始的15 min之内，每隔一分钟读数一次，15 min后，由于反应物

8、浓度降低反应速率变慢，可将每次测量时间间隔适当延长，一直测定到旋光度为负值，并要测量45个负值为止。4的测量：测定过程中，可将剩余的反应混合物放入55恒温槽中加热30min，使反应充分后，冷却至室温后测定体系的旋光度，连续读数三次平均值。由于反应液的酸度很大，因此样品管一定要擦干净后才能放入旋光仪内，以免酸液腐蚀旋光仪，实验结束后必须洗净样品管。六、实验数据记录和处理试剂：蔗糖(分析纯)，HCl溶液( 4mol/L)；仪器：WXG-4圆盘旋光仪；实验温度：30+0.1；所测物理量：时间t与对应的旋光度t；蔗糖反应液配制：蔗糖(10g)+水(50mL)+ HCl(25mL, 4mol/L)。表1

9、 蔗糖反应液所测时间与旋光度原始数据tminttmint测定值=-4.851. 将反应过程所测得的旋光度t和时间t列表（上表所示），并作出tt的曲线图。2从tt的曲线图上，等时间间隔取8个t数值，并算出相应的(t)和In(t)的数值并列表。表2 In(t)与t数据t/mintIn(t)3用In(t)对t作图，由直线斜率求出反应速率常数k（直线斜率的相反数即为速率常数k），并计算反应的半衰期t1/2。七、讨论1在实验过程中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，但进行数据处理时并不需要校正零点，为什么？ 2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

10、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。3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

11、近似于直线的关系，而实际则应该为曲线关系，故反应时间控制在3040min为宜。4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。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。5反应溶液的配制当反应温度为293.2K、298.2K时，反应溶液可按25mL蔗糖溶液加25mLHCl溶液配制。当反应温度为303.2K、308.2K时，反应溶液可按50mL蔗糖溶液加25mLHCl溶液配制。八、实际应用 旋光性是鉴定某些天然物和络合物立体化学结构的有效方法之一。利用比旋光度分析蔗糖含量更有其简便和独到之处。九、文献值表3 温度