旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验报告.doc

实验八 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

【目的要求】
　　1、根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速度常数，计算反应的半衰期,并根据阿伦尼乌斯公式求算蔗糖转化的活化能。
2、了解旋光仪的基本原理、掌握使用方法.
3 了解一级反应速率公式及动力学特点，熟悉准一级反应的速率公式。
【基本原理】
　　蔗糖在水中水解成葡萄糖与果糖的反应为
C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6
蔗糖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 葡萄糖　　　　　 果糖

　　为使水解反应加速，反应常常以H3O+为催化剂,故在酸性介质中进行，本实验采用2M HCl。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:
－dC/dt = kC
　　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
　　令蔗糖开始水解反应时的浓度Ｃ０,水解到某时刻时的蔗糖浓度为Ｃt，对上式进行积分得：
lnC0/Ct = kt
　　该反应的半衰期与k的关系为:
t1/2 = ln2/k
　　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。量度旋光度的仪器为旋光仪，当温度、波长及溶剂一定时,旋光度的数值为:
＝ l Cm
或 = l C
　　l —- 液层厚度，即盛装溶液的旋光管的长度，
　　Cm ，Ｃ—— 旋光物质的质量摩尔浓度，体积摩尔浓度
　　 —— 比旋光度，t为温度,Ｄ为所用光源的波长.
　　在其他条件不变的情况下,旋光度与反应物浓度Ｃ成正比.即:
＝ Ｋ'Ｃ
　　Ｋ’--是与物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、溶液温度等有关的常数.
　　可见，旋光度与物质的浓度有关，且溶液的旋光度为各组分旋光度之和.
　　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.
　　下面将反应过程中浓度变化转变为旋光度的变化。
C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6
蔗糖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 葡萄糖　　　　　 果糖
　　　　　　t = 0 　　　Ｃ0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　０　　　　　　 ０
　　　　　　t = t 　　　Ｃt 　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　Ｃ0—Ｃt 　　　　Ｃ0-Ｃt
　　　　　　t = 　　　0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｃ0　　　　　　 Ｃ0
　　当t=0时，溶液中只有蔗糖，溶液的旋光度值为：　　　　 0 ＝ k蔗糖Ｃ０—-①
　　当t=时，溶液中只有葡萄和果糖,溶液的旋光度值为:　＝（k葡＋k果）Ｃ０-—②
　　当t=t时，溶液中有葡萄糖和果糖，此时溶液的旋光度值为
t　＝ k蔗糖Ｃt + （k葡＋k果）（Ｃ０—Ct）——③
　　①－②得: 0　－　　＝［k蔗糖　－（k葡＋k果）］Ｃ０
　　即:Ｃ０＝ (0－ ）／［k蔗糖　－(k葡＋k果）］——④
　　③－②得： t　－　　＝　 k蔗糖Ｃt + （k葡＋k果）（Ｃ０-Ct）－（k葡＋k果）Ｃ０
　　　　　　　　　　　　　　　　＝　　k蔗糖Ｃt + （k葡＋k果）Ｃ０－（k葡＋k果)Ct－(k葡＋k果）Ｃ０
　　　　　　　　　　　　　　　　＝　　k蔗糖Ｃt－（k葡＋k果）Ct
　　　　　　　　　　　　　　　　＝　［k蔗糖－（k葡＋k果）］Ct
　　即：Ct＝（ t－）／［k蔗糖－（k葡＋k果)］——⑤
　　将④和⑤两式代入　lnC0/Ct = k t　中：
ln(0－ ）/（ t－） = k t —-⑥
ln（ t－） = － k t ＋ln（0－ ）——⑦
　　从上式可见,以ln（ t－）对 t作图，可得一直线，由直线斜率可求得速度常数k.
　　由于将蔗糖溶解于水中，加入ＨＣl 后，还得将溶液装入旋光管中，这需要时间,因此无法测定反应开始时的0。实验过程只能测定反应终了时的和有不同时间t下的 t。但可通过作图可求得0。
【仪器和试剂】
　　旋光仪　　　　　　　　　　　１台　　　　　旋光管　　　　　　　　１套　　　　　记时器（秒表）　　１块　　　　　
　　容量瓶(５０ml） 　　　　　　1个　　　　　锥形瓶（１００ml） 　　２个　　　　托盘天平　　　　　１台
　　烧杯（５０ml，１００ml）　　各１个　　　　移液管（２５ml）　　　２支
　　2M HClipiy溶液,蔗糖（分析纯）
【操作步骤】
　　1、 恒温（不作处理）
　　2、 旋光仪零点的校正：用蒸馏水调试旋光仪。测试三次蒸馏水的旋光度值，取其平均值。此为旋光仪的零点。
　　3、 蔗糖水解过程中不同时间t下的t的测定
　　　① 10g蔗糖→50ml水溶液（50ml容量瓶)，如有混浊，需过滤.

　　　② 25ml蔗糖溶液 → 100ml锥形瓶 →恒温10～15 min

　　　　 50ml 2mol/L HCl → 100ml锥形瓶 →恒温10～15 min

　　　③ 25ml 2mol/L HCl → 25ml蔗糖溶液（100ml锥形瓶）.振荡混合。取一部分安装进旋光管叶进行测量。余下部分保留好　　　　　
　　　　用于测定之用。

　　注：在加入HCl一半时开始记时，作为反应的开始时间 .
　　　④ 测定不同时间t时的t。注意读数的方法.调整好三分视野暗度相同后,先记下时间,而后再读取旋光值.按教材要求　　　　　
　　　　的时间下进行测量。
　　4、 反应终了时的的测定
　　将上面步骤③中保留的混合液于60℃下加热半小时，回室温后测定其旋光值,此为

【数据记录和处理】
1、将实验数据记录于下表：
　　盐酸浓度：　　　　　Ｍ　　　　实验温度：　　　　℃　　　大气压： 　　　　　Pa　　　:　　　　　
编 号
反应时间/min（t）
t
t－
ln（ t－）
k
1

0
0
0
0
2

3

4

5

6
0
0
0
0
7
0
0
0
0
8
0
0
0
0
9
0
0
0
0
　　2 以ln( t－)对　t　作图得一直线，从直线斜率可求得速度常数k；
　　3、 由截距求得0.
　　4、 计算蔗糖水解反应的半衰期t1/2.

【思考讨论题】
　　1、 为什么可以用蒸馏水来校正旋光仪的零点？
　　2、 在旋光度的测量中,为什么要对零点进行校正？它对旋光度的精确测量有什么影响？在本实验中，若不进行校正对结果是否有影响？
　　3、 为什么配制蔗糖溶液可用托盘天平称量?
【注意事项】
　　1、 注意保护钠光灯,测到三十分钟后,每次测量间隔时应将钠光灯熄灭,下次测量前十分钟前再打开钠光灯.
　　2、 三分视野一定要调整正确,且每次都有一样的状态。
　　3、 实验完毕,一定要将旋光管清洗干净。
　　4、 如有可能，实验数据可采用计算机进行处理，同手工处理相比较。推荐使用origin5.0或是origin6。0，
【偏振光与旋光性】
一、平面偏振光和物质的旋光性
（一）偏振光和偏振光的振动面
　　光波是电磁波，是横波。其特点之一是光的振动方向垂直于其传播方向。普通光源所产生的光线是由多种波长的光波组成，它们都在垂直于其传播方向的各个不同的平面上振动。图1（左）表示普通的单色光束直射时的横截面。光波的振动平面可以有无数,但都与其前进方向相垂直。

图１　平面偏振光的形成
　　当一束单色光通过尼科目棱晶（由方解石晶体加工制成，图１中)时，由于尼科耳棱晶只能使与其晶轴相平行的平面内振动的光线通过，因而通过尼科耳棱晶的光线,就只在一个平面上振动.这种光线叫做平面偏振光，简称偏振光(图1右）。偏振光的振动方向与其传播方向所构成的平面,叫做偏振光的振动面。

图2　两个尼科耳棱晶平行放置（上）或重直放置(下)时的情况

　　当普通光线通过尼科耳棱晶成为偏振光后,再使偏振光通过另一个尼科耳棱晶时，则在第二个尼科耳棱晶后面可以观察到如下现象:如果两个尼科耳棱晶平行放置(晶体相互平行）时，光线的亮度最大（图2上)；如两个棱晶成其他角度时,则光线的亮度发生不同程度的减弱，接近90°时较暗，接近0°时较明亮。
（二)旋光性物质和物质的旋光性
　　自然界中有许多物质对偏振光的振动面不发生影响，例如水、乙醇、丙酮、甘油及氯化钠等；还有另外一些物质却能使偏振光的振动面发生偏转，如某种乳酸及葡萄糖的溶液。能使偏振光的振动面发生偏转的物质具旋光性，叫做旋光性物质;不能使偏振光的振动面发生偏转的物质叫做非旋光性物质，它们没有旋光性。
　　当偏振光通过旋光性物质的溶液时，可以观察到有些物质能使偏振光的振动面向左旋转（逆时针方向）一定的角度（图3），这种物质叫做左旋体，具有左旋性，以-表示;另一些物质则使偏振光的振动面向右旋转（顺时针方向)一定的角度，叫做右旋体，它们具有右旋性,以+表示。以前也曾用l、d表示左右旋.

图３　左旋体使偏振光的振动面向左旋转
(三)旋光度和比旋光度
　　如将两个尼科耳棱晶平行放置，并在两个棱晶之间放一种溶液(图4），在第一个棱晶（起偏振器)前放置单色可见光源，并在第二个棱晶(检偏振器）后进行观察.可以发现,如在管中放置水、乙醇或丙醇时，并不影响光的亮度。但如果把葡萄糖或某种乳酸的溶液放于管内，则光的亮度就减弱以至变暗.这是由于水、乙醇 等是非旋光性物质,不影响偏振光的振动面；而葡萄糖等是旋光性物质，它们能使偏振光的振动面向右或左偏转一定的角度.要达到最大的亮度,必须把检测振器向右或向左转动同一角度。旋光性物质的溶液使偏振光的振动面旋转的角度，叫做旋光度，以α表示。

图４　旋光性测定示意图
　　一种物质的旋光性，主要决定于该物质的分子结构。但在测定物质的旋光度时，还受到测定条件的明显的影响。影响旋光度的因素包括溶液浓度、液层厚度（即盛液管的长度）、所用光线(单色光）的波长、温度以及溶剂等。因此，同一种旋光性物质在不同条件下测定α值时，所得的结果也不一样。但如固定实验条件,则测得的物质的旋光度即为常数，它能反映该旋光性物质的本性，叫做比旋光度，以[α]表示.比旋光度与测得的旋光度（α)有以下的关系：
＝ l Cm