物化實驗報告8-蔗糖水解反應速度常數(shù)的測定.doc

一、 實驗目的 1. 根據(jù)物質(zhì)的光學性質(zhì)研究蔗糖水解反應，測定其反應速度常數(shù)。 2. 了解旋光儀的基本原理、掌握使用方法。 二、 基本原理 3. 蔗糖的轉化為一級反應 蔗糖在H+催化作用下水解或葡萄糖和果糖，反應方程式為： CHO + HOCHO + CHO 蔗糖 葡萄糖 果糖 由于在較稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反應過程中水的濃度可以認為不變，因此在一定酸度下，反應速度只與蔗糖的濃度有關，而反應速度與反應物濃度的一次方成正比的反應稱為一級反應，故蔗糖的轉化反應視為一級反應。 (1)反應速度公式和半衰期 —反應速度常數(shù)，為單位濃度是的反應速度,—反應速度。 也可以寫為 反應時間，為時間 時蔗糖的濃度。 不定積分： ，B積分常數(shù)， 當時， 蔗糖的起始濃度，代入上式可得定積分式 當反應進行一半所用的時間稱為半衰期，用t1/2表示，則 解得 （2）一級反應有三個特點： ① k的數(shù)值與濃度無關，量綱：時間-1，常用單位，等。 ② 半衰期與反應物起始濃度無關。 ③ 以 對 作圖應得一直線，斜率為，截距為。 由此可用作圖法求得直線斜率，計算反應速度常數(shù)斜率。 2.反應物質(zhì)的旋光性 蔗糖及其水解產(chǎn)物葡萄糖，果糖都含有不對稱碳原子，它們都具有旋光性，即都能使透過他們的偏振光的振動面旋轉一定的角度，此角度稱為旋光度，以表示。蔗糖，葡萄糖能使偏振光的振動面按順時針方向旋轉，為右旋物質(zhì)，旋光度為正值。果糖為左旋物質(zhì)，旋光度為負值，數(shù)值較大，整個水解混合物是左旋的。所以可以通過觀察系統(tǒng)化反應過程中旋光度的變化來量度反應的進程。量度旋光度的儀器稱旋光儀，旋光儀的原理方法將專門講解。 2.1旋光度與比旋光度 溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質(zhì)的種類、濃度、液層厚度、光源的波長以及反應時的溫度因素有關。 為了比較各種物質(zhì)的旋光能力，引入比旋光度這一概念，并以下式表示： （1） 式中： 為實驗時的溫度；為所用光源的波長；為旋光度；為液層厚度（常以10cm 為單位）；為濃度（常用100溶液中溶有克物質(zhì)來表示），式（1）可寫成： （2） 或 （3） 由（3）式可以看出，當其他條件不變時，旋光度與反應物成正比，即 式中：是與物質(zhì)的旋光能力、溶液層厚度、溶劑性質(zhì)、光源的波長、反應時的溫度等有關系的常數(shù)。 蔗糖是右旋性物質(zhì)（比旋光度66.6），產(chǎn)物中葡萄糖也是右旋性物質(zhì)（比旋光度52.5），果糖是左旋性物質(zhì)（比旋光度-91.9）。因此當水解反應進行時，右旋角不斷減小，當反應終了時體系將經(jīng)過零變成左旋。 2.2旋光度變化與濃度變化的對應關系 蔗糖水解反應中，反應物與生成物都有旋光性，旋光度與濃度成正比，且溶液的旋光度為各旋光度的和（加和性）。若反應時間為0，t,∞時溶液旋光度各為，，?？赏茖С觯? ， 為開始時蔗糖的右旋角；為反應進行到 時的混合物的旋角； 為水解完畢時的左旋角?？捎茫ǎ┐碚崽堑目偭浚ǎ┐頃r的蔗糖量。 簡單的推導證明方法可以如圖示看出 正比， 正比 3.反應速度常數(shù)k的求法 以ln(at-a)對t作圖,由圖所得直線斜率求k值，進而求半衰期t1/2。 三、 儀器和試劑 儀器：旋光儀，停表，恒溫水浴一套，移液管（50ml），磨口錐形瓶（100ml，燒杯（100ml），臺秤，洗耳球。 藥品：蔗糖（AR），鹽酸（3mol?dm-3）。 四、 實驗步驟 1、將恒溫槽調(diào)節(jié)到25C恒溫，稱取10克蔗糖溶于水中，用50ml容量瓶配成溶液。用移液管移取25ml 蔗糖溶液溶于錐形瓶中，然后放入恒溫水浴中10分鐘。另同樣取25ml鹽酸溶液放入恒溫槽中。 2、校正旋光度儀零點。 打開旋光度儀器預熱幾分鐘，旋光管內(nèi)注滿蒸餾水，旋緊套蓋，用紙擦凈兩端玻璃片，放入旋光儀內(nèi)，蓋上槽蓋。調(diào)節(jié)目鏡使視野清晰。然后旋轉檢偏鏡能觀察到明暗相等的三分視野為止，記下刻度盤讀數(shù)，重復操作三次，取其平均值，此即為旋光儀零點。測畢取出旋光管，倒出蒸餾水。 3、蔗糖水解過程中的測定 從恒溫槽中取出蔗糖溶液，將25ml 2mol/L HCl溶液加入蔗糖溶液使其混合均勻。取加入一半HCl時作為反應開始時間，迅速取少量混合液清洗旋光管兩三次。然后注滿旋光管，測量各時間t時溶液的旋光度。分別測得時間為5、10、15、20、25、30、40、50、60分鐘 時的旋光度。 4、 的測定 將反應剩余的混合液置50~60 C的熱水浴中，溫熱30分鐘，以加速轉化反應的進行，然后冷卻，再恒溫至25C，測旋光度，此值即為反應終了時的旋光度。 5、實驗結束時，立刻將旋光管洗凈干燥，以免酸對旋光管的腐蝕。 五、 數(shù)據(jù)記錄和處理 實驗溫度 27.5℃ HCl濃度 3moldm-3 零點 12.90 -4.95 1.實驗數(shù)據(jù)填入下表 反應時間/min at at-a ln(at-a) k 5 10 15 20 25 30 40 50 60 9.05 7.40 5.95 4.90 3.15 2.05 0.15 -1.20 -1.90 14.00 12.35 10.90 9.85 8.10 7.00 5.10 3.75 3.05 2.639 2.514 2.389 2.287 2.092 1.946 1.629 1.322 1.115 0.02886 2.以ln(at-a)對t作圖 線性擬合得，k=0.02886 3. 計算反應的半衰期t1/2 t1/2==24.02min 六、 實驗討論 1. 蔗糖水解在酸性介質(zhì)中進行，H+為催化劑，故反應是一復雜反應，反應的計算方程式顯然不表示此反應的機理反應并不是因為水的濃度變化可忽略而視為一級。本反應視為一級反應完全是實踐得出的結論。 2. 速度常數(shù)k與濃度有關，所以酸的濃度必須精確，以保證反應體系中H+濃度與實驗要求的相一致。 3. 溫度對速度常數(shù)k的影響不容忽視，在測定時，每測完一次，將旋光管置于25C的恒溫槽水浴中恒溫，待下次測量時拿出。 4. 在放置旋光管上的玻璃片時，將玻璃蓋片沿管口輕輕推上蓋好，再旋緊套蓋，勿使其漏水或產(chǎn)生氣泡。 5. 旋光儀使用中，若兩次測定中間間隔時間較長，則應切斷電源，讓燈管休息一會，在下次使用提前10分鐘再開啟。 6. 對三分視野的明暗判斷影響實驗值的精度，因此要求判斷時盡可能作到快而準。 七、思考討論題： 1. 為什么可用蒸餾水來校正旋光儀的零點？ 答：主要是因為蒸餾水沒有旋光性，其旋光度為零，其次是因為它無色透明，方便可得，化學性質(zhì)較為穩(wěn)定。 2. 在旋光度的測量中為什么要對零點進行校正？它對旋光度的精確測量有什么影響？在本實驗中若不進行校正對結果是否有影響？ 答：旋光儀由于長時間使用，精度和靈敏度變差，故需要對零點進行校正。若不校正會使測量值的精確度變差，甚至產(chǎn)生較大的誤差。本實驗數(shù)據(jù)處理時，用旋光度的差值進行作圖和計算，儀器精度誤差可以抵消不計，故若不進行零點較正，對結果影響不大。 3. 為什么配置蔗糖溶液可用上皿天平稱量？ 答：蔗糖水解為一級反應，反應物起始濃度不影響反應速度常數(shù)，又因為蔗糖濃度大用量較多，量值的有效數(shù)字位數(shù)較多，故不需要精確稱量，只要用上皿天平稱量就可以了。