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、仪器与试剂

WZZ-2B自动旋光仪，样品管，秒表，恒温槽，量筒，锥形瓶，蔗糖水溶液，盐酸水溶液

三、实验原理 

蔗糖在水中水解成葡萄糖与果糖的反应为

(蔗糖)+(葡萄糖)+（果糖）这是个二级反应。为使水解反应加速，反应常常以H+为催化剂。由于在较稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反应达终点时，虽然有部分水分子参加了反应，但与溶质（蔗糖）浓度相比可以认为它的浓度没有改变。因此，在一定的酸度下，反应速度只与蔗糖的浓度有关，所以该反应可视为一级反应（动力学中称之为准一级反应）。该反应的速度方程为：

 积分之后得：

其中Ｃ为蔗糖溶液的浓度，k为蔗糖在该条件下的水解反应速度常数

该反应的半衰期与k的关系为：

蔗糖、葡萄糖、果糖都是旋光性的物质，即都能使透过它们的偏振光的振动面旋转一定的角度，称为旋光度，以表示。其中蔗糖、葡萄糖能使偏振光的振动面按顺时针方向旋转，为右旋光性物质，旋光度为正值。而果糖能使偏振光的振动面按逆时针方向旋转，为左旋光性物质，旋光度为负值。
反应进程中，溶液的旋光度变化情况如下：

当反应开始时，t=0，溶液只有蔗糖的右旋，旋光度为正值，随着反应的进行，蔗糖溶液减少，葡萄糖和果糖浓度增大，由于果糖的左旋能力强于葡萄糖的右旋。整体来说，溶液的旋光度随着时间而减少。当反应进行完全时，蔗糖溶液为零，溶液中只有葡萄糖和果糖，这时，溶液的旋光度为负值。可见，反应过程中物质浓度的变化可以用旋光度来代替表示。

（α—α） = ＋（α—α）

从上式可见，以（α—α）对 t作图，可得一直线，由直线斜率可求得速度常数k。

四、实验步骤

    1、旋光仪的零点校正  开启旋光仪，按下“光源”和“测量”，预热10分钟。蒸馏水为非旋光物质,可以用来校正旋光仪的零点。校正时候先洗净样品管，将管的一端加上盖子，并由另一端加满蒸馏水，盖上玻璃盖和套盖，玻璃片紧挨着旋光管，管内不应该有气泡。用吸滤纸把管外的水擦干，放入旋光仪的光路中，之后清零。

2、反应过程的旋光度的测定  把恒温水浴调到50℃。取出锥形瓶蔗糖溶液25ml，盐酸溶液25ml，把盐酸倒入蔗糖中，混合均匀。用该溶液润洗旋光仪之后，加入该溶液进入旋光管，测量各时间的旋光度。从旋光度最大时开始记录，每隔五分钟记录一次，记录40分钟。

3、α的测量  把混合液放入50℃恒温水浴中加热至四十分钟之后，取出冷却到室内温度，润洗旋光管，测量旋光度。

五、实验数据记录与处理

α∞的平均值为 ：-3.955

                         旋光度与时间的关系

                     旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

由Ln（α-α_∞）～t直线y = -0.0168x + 2.6618可求得：

蔗糖的转化反应速率K=0.0168   

半衰期：t =  = =41.25min

七、思考题

1.实验中，为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点? 在蔗糖转化反应过程中，所测的旋光度α是否需要零点校正?为什么?

答：因为蒸馏水无旋光性，可以消除旋光仪的系统误差；实验中，所测的旋光度α可以不校正零点，因α-α∞ ，已将系统的零点误差消除掉。

2.蔗糖溶液为什么可粗略配制? 

答：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（α—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

3.蔗糖的转化速度和哪些因素有关? 

答：温度，催化剂得浓度、种类等。

4.溶液的旋光度与哪些因素有关？

答：溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、       光源波长及温度等因素有关。

5. 反应开始时，为什么将盐酸溶液倒入蔗糖溶液中，而不是相反？

答：因为盐酸是作为催化剂。若把蔗糖倒入盐酸当中，会导致反应液中盐酸的浓度过大，使得蔗糖在还没检测的时候就反应完全，使实验存在很大误差。若那盐酸倒入蔗糖溶液中，可以避免这种事情发生，最大地降低了误差的出现。

八、 实验结果与讨论：

   本实验测得蔗糖的转化反应速率K=0.0168,半衰期为41.25min，测得的旋光度变化趋势是从大到小，最终出现负值。证明果糖的旋光度为负值，并在数值上大于葡萄糖的旋光度值。而最终的旋光度几乎不变，这说明反应几乎已经达到极限。

   通过该实验，了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系，同时明白旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法。

 

第二篇：蔗糖水解反应速率常数的测定__实验八

宁 波 工 程 学 院

物理化学实验报告

专业班级   化工12-1班   姓名   李威威     序号     12402010128            

同组姓名   胡明远    指导老师李秋平、付志强  实验日期  2014.5.5          

实验名称             实验八  蔗糖水解反应速率常数的测定                           

一、实验目的

1. 了解蔗糖水解反应体系中各物质浓度与旋光度之间的关系。

2. 测定蔗糖水解反应的速率常数和半衰期。

3.了解旋光仪的基本原理，掌握其正确的操作技术。

二、实验原理

反应速率只与某反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应，速率方程可由下式表示：

—

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：                      lnc=－kt + lnc₀

c₀为反应开始时反应物浓度。

当c= c₀/2时，对应t可用t_1/2表示，称为反应的半衰期，即反应物浓度反应掉一半所用时间，得一级反应的半衰期为：          t_1/2=

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。

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α与反应物浓度c呈线性关系，即

α=Kc

式中比例常数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），α为测得的旋光度，l为样品管长度（dm），c_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=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，这时左旋角达到最大值α_∞。

设最初系统的旋光度为    α₀=K_反c_A,0      （t=0，蔗糖尚未水解）（1）

最终系统的旋光度为      α_∞=K_生c_A,0      （t=∞，蔗糖已完全水解）（2）

当时间为t时，蔗糖浓度为c_A，此时旋光度为α_t

α_t= K_反c_A+ K_生(c_A,0－c_A)                                    (3）

联立（1）、（2）、(3)式可得：

c_A,0==K^′（α₀－α_∞）                               (4)

c_A== K^′（α_t－α_∞）                             (5)将（4）、（5）两式代入速率方程即得：

ln(α_t－α_∞)=－kt+ln（α₀－α_∞）

我们以ln(α_t－α_∞)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t_1/2。

三、实验仪器、试剂

仪器：旋光仪，停表，恒温水浴一套，移液管（50mL），磨口锥形瓶（100mL），烧杯（100mL），台秤，洗耳球

试剂：蔗糖（AR），盐酸 （3mol/L，AR）

四、实验步骤

（一）旋光仪的校正

1.了解旋光仪的构造、原理，掌握其使用方法（见附录）。

2.开启水浴恒温水槽的电源开关，并将水浴恒温槽的温度控制在60℃。

3.蒸馏水为非旋光性物质，可用来校正仪器的零点（即α=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，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）。读数三次取平均值，即为零点，用来校正仪器的系统误差。

（二）测定

1、 配制蔗糖溶液：用天平称取10克蔗糖放入烧杯中，加蒸馏水溶解后转移到50ml容量瓶中，稀释至刻度。

2、用50ml移液管移取50mlHCL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。分别记录5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min的旋光度。

3、α_∞的测量：测定过程中，可将剩余的反应混合物放入60℃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。

 五、数据记录与处理

实验温度： 24.4℃   ；HCl浓度： 3mol/L    零点：0.000      α_∞ ： -3.15     。

以ln（α_t—α_∞）对t作图，并由直线斜率求速率常数k₁。

斜率=-0.02987，所以k₁=0.02987 min ^-1=4.97833×10^-4 s^-1

t_1/2= ln 2 /k₁ =0.693 / k₁ = 0.693 / .97833×10^-4 =1392.032 s^-1

六、结果与讨论

1、装样品时，旋光管管盖旋至不漏液体即可，不要用力过猛，以免压碎玻璃片。

2、在测定α_∞时，通过加热使反应速度加快转化完全。但加热温度不要超过60℃。

大约60min后基本分解完全。

3、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。

4、实验过程存在误差，比如仪器调节误差，读数误差，但误差在接受范围内。