蔗糖的转化0109.doc

蔗糖的转化
一、实验目的：
1.测定蔗糖转化的反应速率常数和半衰期；
2. 了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的使用方法。
二、实验原理：
1. 反应速率和动力学方程
H+
反应速度只与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应。在H＋催化作用下，蔗糖水溶液将发生如下转化反应：
C12H22O11＋H2O C6H12O6 ＋ C6H12O6
（蔗糖） （葡萄糖） （果糖）
其反应速率与蔗糖、水以及作为催化剂的氢离子浓度有关。水在这里作为溶剂，其量远大于蔗糖，可视为常数（对100g，20％的蔗糖水溶液而言，含蔗糖为20/342＝0.06mol·L-1，含H2O为80/18＝4.44mol·L-1，由上式反应可知，当0.06mol·L-1的蔗糖全部水解后，水的含量仍有4.38mol·L-1，所以相对而言水的量可看作不变），所以此反应看作一级反应（实际上是通过实验证明它是一个一级反应）。当温度氢离子浓度一定时，反应速率常数为定值。其速率公式为：
…… ……①
令C0为反应开始时的蔗糖浓度；C为反应到t时的蔗糖浓度，则将①式积分得：
…………②
可见，若测定不同时间的蔗糖浓度，代入②式，则可求出该条件下的反应速率常数 k。
当 时，反应的半衰期为：
…………③
2. 反应物浓度与旋光度的关系
物质的旋光性是指它们可以使在其中通过的一束偏振光的偏振面旋转某一角度的性质。具有这种性质的物质为旋光性物质。蔗糖及其转化产物葡萄糖、果糖都具有旋光性。蔗糖、葡萄糖能使偏振光的振动面按顺时钟方向旋转，为右旋物质，α为＋，果糖为左旋物质，α为－。所以可通过观察反应系统在反应过程中旋光度的变化来度量反应的进程。
旋光度与溶液性质及测量条件各因素有关，为度量各物质的旋光能力，常用“比旋光度”来表示[α]。如以水为溶剂时，蔗糖、葡萄糖、果糖的[α]分别是：66.370、52.70、-920。
当温度、波长及溶剂一定时，各物质的比旋光度[α]为定值。旋光度与浓度的关系为：
α＝LC[α]＝LMC[α]＝βC …………④
由此可知，当比旋光度、旋光管的长度等条件一定时,溶液的旋光度与旋光物质的浓度成正比关系。
反应开始时，系统旋光度为正，随反应进行，葡萄糖与果糖浓度虽然相同，但由于果糖的左旋光性比葡萄糖的右旋光性要大，因此系统的旋光度不断减小，且由正值变为负值。
设系统起始旋光度为α0，时间t时为αt，反应终了时为α∞ 按④则有：
t=0 α0=β蔗C0 …………⑤（蔗糖未水解）
t=∞ α∞=（β葡+β果）C0 …………⑥（蔗糖全部水解）
t=t αt=β蔗C+(β葡+β果)(C0-C) …………⑦（蔗糖部份水解）
由⑤－⑥得：C0＝β΄（α0-α∞） …………⑧
由⑦－⑥得：C＝β΄（αt-α∞） …………⑨
整理⑧、⑨并代入②得：
㏑(αt-α∞)= -k t＋㏑(α0-α∞) …………⑩
以㏑(αt-α∞)对t作图得一条直线，从直线斜率便可求出k，并可算出t1/2。
3. 旋光仪的基本原理
本实验以旋光仪量度旋光度。它是采用三分视野法来确定光学零位的。其构造见图1

3.1 平面偏振光的产生
当一束自然光通过尼科尔棱镜时，就被分解为两束互相垂直的偏振光。其中遵守折射定律的寻常光线被棱镜全反射，而不遵守折射定律的非寻常光线透过棱镜，成为一束单一的平面偏振光。在此作用的尼科尔棱镜称为起偏镜，固定在旋光仪中。
3.2 平面偏振光角度的测量
当一束平面偏振光通过尼科尔棱镜时，若光的偏振面与棱镜的主截面一致，光可全透过；若二者成垂直，光被全反射；当二者的夹角在0－900之间时，则透过棱镜的光强度发生衰减。即能测出偏振光的偏振面方向。在此作用的尼科尔棱镜称为检偏镜，它和旋光仪的刻度盘装在同一轴上，能随之一起转动。
3.3三分视野的检测
图3
旋光仪就是利用起偏镜和检偏镜来测定旋光度的。为了便于观察，在起偏镜后的中部装一狭长的石英片，其宽度约为视野的1/3。由于石英片具有旋光性，从石英片中透过的那一部份偏振光被旋转了一个角度θ（称为半暗角）。当θ＝900时，目镜中观察到的视野是最暗的（图2中c）；当θ＝00时，视野最亮； 当00<θ<900时,视野较亮（图2中a、b）。测量时，先用无旋光性的蒸馏水，调节检偏镜的角度使三分视野消失（最暗），将此时的角度读数作为零点，再换上被测试样，根据试样的旋光性，重新旋转检偏镜的角度，使三分视野再次消失，这个旋转的角度即为被测试样的旋光度。读数方法见图3（α＝9.30）。
三、仪器及试剂：
旋光仪，旋光管(20mm)，超级恒温器
恒温箱，秒表，锥形瓶（100mL）
移液管（25mL），洗耳球，蔗糖（20％）
盐酸（4mol·dm-3），蔗糖
四、实验步骤：
1. 了解旋光仪的原理与使用方法
用蒸馏水测定仪器的零点，反复测量几次，直到熟练地掌握旋光仪三分视野的消失，找到等暗面，学会正确读数。倒出旋光管中的蒸馏水。［打开旋光仪电源开关，预热，旋光管一端盖紧，由另一端向管内充满。使液体形成一凸出液面。从旁边轻轻插入玻璃片，此管内不应当有气泡存在，用滤纸擦干管的外面，再用镜头纸擦净玻璃片，将旋光管装入旋光仪内，让凸肚一端位于上方，调节目镜使视野清晰，然后旋转检偏镜，使之与三分视野的明暗相等（最暗），记下刻度盘的读数，重复3-5次，取其平均值，此值作为旋光仪的零点］。
2. 调节超级恒温槽的温度至25℃
3. 溶液的准备及恒温
用移液管吸取25mL 4mol·dm-3盐酸溶液（或25mL 4mol·dm-3硫酸氢钠溶液），放入一锥形瓶中；再用另一支移液管吸取25mL20％蔗糖溶液，放入另一锥形瓶中，同时将两锥形瓶置于超级恒温槽的水浴中恒温。
4. 测定蔗糖转化过程的旋光度：
4.1测定αt：
将步骤3中准备的两份溶液恒温达10min 以上时，取出两个锥形瓶，将酸溶液倒入蔗糖溶液中，迅速将混合液在两个锥形瓶中反复倒两次，同时启动秒表开始计时（以后秒表不得停止）。取少许混合液迅速将旋光管（20cm）洗2～3次，再将溶液装入旋光管，盖好玻璃片，旋好压紧螺帽，检查无泄漏后，擦干净，将气泡赶至凸肚部份，放入旋光仪中，凸肚朝上，调节检偏镜找到等暗面，先记下秒表上的准确时间，迅速将旋光管放入恒温水浴中，再读取旋光度值αt。每隔2min读一次数，直40 min为止。
4.2 测定α∞：
在上述读数过程中，把剩余混合液放入50℃左右的恒温箱中恒温1h左右。使反应接近完成，然后取出使其冷却至测定温度，再测定α∞。
实验结束后，应立即将旋光管、玻璃片压紧螺帽的内外洗净擦干，以免腐蚀。关闭并擦干净旋光仪。关闭恒温槽。
五、数据记录及处理
1. 将实验结果填入表内
t
αt
(αt-α∞)
㏑(αt-α∞)
t
αt
(αt-α∞)
㏑(αt-α∞)

2. 数据处理
2.1以时间t为横坐标，ln (αt-α∞)为纵坐标作图，
2.2由所得直线的斜率求出25℃时蔗糖转化反应的速率系数k值，并计算反应的半衰期t1/2。
六、注意事项
1. 蔗糖在配制溶液前，需先经105℃烘干2h。
2. 在进行蔗糖转化反应的旋光度测定以前，要熟练掌握旋光仪的使用，能正确而迅速地读出其读数。
3. 旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启，测量间隔较长时，应熄灭，以免损坏。
4. 反应速率与温度有关，所以两反应溶液需恒温至实验温度后才能混合。
5. 旋光管盖只要旋至不漏水即可，过紧的旋钮会造成损坏，或因玻片受力产生应力导致一定的假旋光。
6. 实验结束时，应将旋光管洗净干燥，防止酸对旋光管的腐蚀。
七、思考题
1. 混合酸溶液与蔗糖溶液的次序怎样？为什么？
2. 实验中，利用蒸馏水来校正旋光仪的零点，试问蔗糖转化反应过程中所测的旋光度αt是否需零点校正？为什么？
3. 测定αt与α∞是否要用同一根旋光管，为什么？
4. 试估计本实验的误差，怎样减少实验误差？