旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

一、实验目的：

1、了解反应的反应物浓度与旋光度之间的关系；

 2、了解旋光仪的基本原理，掌握其基本使用方法；

 3、利用旋光法测定蔗糖水解反应的速率常数与半衰期。

二、实验原理：

  蔗糖在水中水解成葡萄糖的反应为：

C₁₂H₂₂O₁₁+H₂O→C₆H₁₂O₆(葡萄糖)+C₆H₁₂O₆（果糖）

为使水解反应加速，反应常数以H3O⁺为催化剂，故在酸性介质中进行水解反应中。在水大量存在的条件下，反应达终点时，虽有部分水分子参加反应，但与溶质浓度相比认为它的浓度没有改变，故此反应可视为一级反应，其动力学方程式为：

LnC=-k_t+LnC₀

式中：C为反应开始时蔗糖的浓度；C₀为t时间时的蔗糖的浓度。当C=1/2 C₀时，t可用t_1/2表示，即为反应的半衰期。    t_1/2=Ln2/k

上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速率常数k，而与起始无关，这是一级反应的一个特点。蔗糖及其水解产物均为旋光物质，当反应进行时，如测定体系的旋光度的改变就可以量度反应的进程。而溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、液层厚度、光源波长及反应温度等因素有关。

为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度[α]这一概念，并表示为：

[α]_D=α*100/(L*C)

式中：t为实验时温度；D为实验温度为20℃，所用钠灯光源D线，波长589nm，α为旋光度；L为液层厚度（dm）；C为浓度（g*100mL^-1），当其他条件不变时，即：

α= βC

β在一定条件下是一常数。

蔗糖[α]=66.5°,葡萄糖[α]=52.0°， 果糖[α]=-91.9°，式中整个反应过程中，旋光度由右旋向左旋变化（旋光度与浓度成正比，且溶液的旋光度为各组成旋光度之和——加和性），且当温度及测定条件一定时，其旋光度与反应物浓度有下列关系：

反应时间为0时:     α₀=β_反C₀

反应时间为t时:     α_t=β_反C+β_生（C₀-C）

反应时间为 ∞ 时:   α∞=β_生C₀

式中α₀、α_t、α_∞为反应时间为0、t、∞ 时的溶液的旋光度。

联立以上三式：

Ln(α_t-α_∞)= -kt + Ln(α₀-α_∞)         

整理即为：Ln(α_t-α_∞) - Ln(α₀-α_∞)= - kt

由上式可以看出，以 Ln(α_t-α_∞) 对t 作图可得一直线，由截距可得到α₀值,由直线斜率即可求得反应速度常数k。

三．实验步骤

1.将恒温槽调节到(50.0±0.1)℃恒温，旋光仪先预热20分钟。

2.旋光仪零点的校正：

旋光管注入蒸馏水，无气泡，旋紧，擦净，调节（圆盘旋光仪）目镜使视野清晰，旋转检偏镜至观察到的三分视野暗度相等为止，记下检偏镜之旋转角α，即为旋光仪的零点。WZZ-2B自动旋光仪“清零”

3.蔗糖水解过程中α_t的测定：

称取10g蔗糖，加入50mL蒸馏水配成溶液(若溶液浑浊，应先过滤)。用移液管取25mL蔗糖溶液置于100mL烧杯。移取25mL 4mol·dm^-3HCl溶液于另一100mL烧杯中。将HCl迅速倒入蔗糖中，充分混合，在加入HCl时开始记时。（若用移液管移取25mL 4mol·dm^-3HCl溶液直接加入到盛蔗糖溶液的烧杯中，则加入一半时开始计时）将混合液装满旋光管，测量不同时间t时溶液的旋光度α_t。测定时要迅速准确，当将三分视野暗度调节相同后，先记下时间，再读取旋光度。每隔一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每1min读一次，15min后（读取15个数值），每2min读一次，再读取15个数值（30min）。共测定45min，30个数值。（注意：用WZZ-2B自动旋光仪，在实验测定数据的过程中，所有键都不要再调节，只读取数据。）

4.α_∞的测定:

将混合液（25mL 4mol·dm^-3HCl溶液+25mL蔗糖溶液）置于近50℃的水浴中，恒温30min以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，持续约5 min，旋光度不发生变化，可以认为反应完全，此值即可认为是α_∞。若旋光度一直在变化，则还没有反应完全。

四、实验数据及处理：

1. 蔗糖浓度：C_蔗糖=  4Mol/L      

HCl浓度：C_盐酸=   2Mol/L        

=     -3.210         

2. 完成下表：

表1  蔗糖转化反应旋光度的测定结果（实验数据）:

五、作~ t图，求出反应速率常数k及半衰期t_1/2 ：

求算过程：

由图表及线性回归知k=0.0104

六、讨论思考：

1、配制蔗糖溶液时称量不够准确，对测量结果有否影响？

答：如果称量的蔗糖偏小，溶液的密度、浓度都会偏小

2、混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，可否将蔗糖溶液加到盐酸溶液中去？为什么？

答：如果将蔗糖加入盐酸中，蔗糖的起始浓度就是一个变化的值，而且先加入的蔗糖会先水解，影响起始浓度和反应速率。

 

第二篇：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数思考题答案

实验八十一  旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

1. 简述旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数的实验原理。

答：蔗糖在水中转化为葡萄糖与果糖，其反应为：

由于水是大量存在的，H⁺是催化剂，反应中它们浓度基本不变，因此蔗糖在酸性溶液中的转化反应是准一级反应。

由一级反应的积分方程可知，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，由直线斜率可得k。然而反应是不断进行的，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旋光度的变化来度量反应的进程。

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，当其他条件均固定时，α＝βc。

物质的旋光能力用比旋光度来度量：

λ_D=589nm，l为样品管长度（dm），c_A为浓度（g/100ml）

蔗糖是右旋性物质，其，葡萄糖是右旋性物质，其，果糖是左旋性物质，其，因此随着反应的进行反应体系的旋光度由右旋变为左旋。

在某一温度下测出反应体系不同反应时刻t时的a_t及a_∞，以对t作图可得一直线，从直线斜率即可求得反应速率常数k，半衰期。

2. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，如果所用蔗糖不纯，对实验有何影响？

答：本实验通过旋光度的测定来测蔗糖反应速率，蔗糖是右旋性物质，其，葡萄糖是右旋性物质，其，果糖是左旋性物质，其，因此随着反应的进行反应体系的旋光度由右旋变为左旋。若蔗糖不纯，所含杂质如果无旋光性对实验无影响，如果具有一定的旋光性会影响实验旋光度的测量，使实验结果不准确。

3. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，测旋光度时不作零点校正，对实验结果有无影响？

答：无影响，本实验中，所测的旋光度αt可以不校正零点，因α_t-α_∞ ，已将系统的零点误差消除掉。

4. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，蔗糖水解实验中配制溶液为何可用台称称量？

答：蔗糖初始浓度对于数据影响不大。速率常数K与温度和催化剂的浓度有关，实验测定反应速率常数k，以ln(α_t-α_∞)对t作图，由所得直线的斜率求出反应速率常数k，与初始浓度无关，蔗糖的称取本不需要非常精确，用台称称量即可。

5. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，测出的旋光度与光源的波长，旋光管的长短、温度和溶液浓度有关吗？

答：物质的旋光能力用比旋光度来度量：，可见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、光源的波长、样品管长度及温度等均有关系。

6. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，测出速率常数与温度、溶液浓度、催化剂浓度和反应时间的长短有关吗？

答：蔗糖转化反应的速率常数与温度、催化剂浓度有关，与溶液浓度、反应时间的长短无关。

7. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，在混合蔗糖溶液和HCl液时，我们将HCl液加到蔗糖溶液里去，可以反过来混合吗？

答：不能，因为H⁺是催化剂，将反应物蔗糖加入到大量HCl溶液时，H⁺浓度很大，一旦加入则马上会分解产生果糖和葡萄糖，则在开始测量时，已经有大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。

8. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，开始时旋光度在单位时间内变化较快，随着时间的延长，旋光度在单位时间内变化愈来愈小，是否可得出这样的结论，即反应速率常数和反应速率随着时间的延长愈来愈小。

答：不能，反应速率常数与反应时间无关，只与温度、催化剂浓度有关，反应速率是随着时间的延长愈来愈小。在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，反应速率常数是以Ln(α₀-α_∞)对t作图得一直线，从直线斜率求得反应速率常数k₀。

9. 蔗糖的转化速率常数和哪些因素有关？

答：温度、催化剂的浓度及催化剂的种类有关。

10. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，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定的旋光度a_t是否必须要进行零点校正？

答：因为蒸馏水无旋光性，故可用纯蒸馏水作零点校正。在蔗糖转化反应过程中所测定的旋光度a_t可以不进行零点校，因反应速率常数是以Ln(α₀-α_∞)对t作图得一直线，从直线斜率求得反应速率常数k₀，α_t-α_∞ 可将系统的零点误差消除掉。

11.在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，物质的比旋光度与光源的波长，旋光管的长短、温度和溶液浓度有关吗？

答：物质的旋光能力用比旋光度来度量：，比旋光度是物质本身的性质，仅与光源的波长和温度有关，而与旋光管的长短和溶液浓度无关。

12. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，测定a_t和a_¥是否要用同一根旋光管，为什么？

答：物质的旋光能力用比旋光度来度量：，由上式公式可知，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，当其他条件均固定时，溶液的旋光度才与浓度成正比关系，α＝βc。

13. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，如何测量a_¥？

答：将混合液的一半放入50-60℃的恒温水浴中恒温40min，取出冷至实验温度下测定其旋光度，在10-15 min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a_¥值。

14. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，测量a_¥时，溶液没有冷至实验温度下就测定其旋光度，对结果有无影响？

答：有影响，因为溶液的旋光度与温度有关。物质的旋光能力用比旋光度来度量：，由上式公式可知，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，当其他条件均固定时，溶液的旋光度才与浓度成正比关系，α＝βc。

15. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，如何判断测量溶液的旋光度即为a_¥？

答：将混合液的一半放入50-60℃的恒温水浴中恒温40min，取出冷至实验温度下测定其旋光度，在10-15 min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a_¥值。

16. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，何时开始计时？为什么？

答：分别取50mL蔗糖水溶液和50 mL 4mol·L^-1 HCL溶液于两个100mL锥形瓶中，并浸入恒温槽使恒温到实验的温度。然后将HCl溶液全部倒入蔗糖溶液锥形瓶中(两瓶来回倒几次，使两者混合均匀)，同时记下时间。因为成立的前提是t=0时，产物浓度为零。

17. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，实验结束后，能否直接将旋光收起来？

答：不能，实验结束时，应将旋光管洗净干燥，防止酸对旋光管的腐蚀。