中国科大物化实验7-旋光物质化学反应反应动力学研究报告

47实验7旋光物质化学反应反应动力学研究——蔗糖转化反应PB14207067张镇【摘要】由于蔗糖和葡萄糖分子中均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性。但两者旋光能力有差异，因此本实验利用蔗糖转化过程中旋光度的变化来量度反应的进程,从而研究蔗糖转化反应的反应动力学，测得反应物的半衰期及研究反应物浓度对反应进程的影响。【关键词】一级反应比旋光度半衰期水解速率常数【Abstract】Withasymmetriccarbonatomsaresucroseandglucosemolecules,theyareactive,buttherotationcapacityofdifferent.Thisexperimentusingthischaracteristic,changesinopticalsystemtomeasurethereactionprocessofreactionprocess,reactionkineticsandtostudytheeffectofsucroseconversionreaction,themeasuredconcentrationofreactanthalf-lifeandreactantsonthereactionprocess.【Keywords】FirstorderreactionThespecificrotationThehalf-lifeThehydrolysisrateconstant【前言】蔗糖转化的反应方程式为：C12H22O11（蔗糖）＋H2OHC6H12O6（葡萄糖）＋C6H12O6（果糖）此反应的反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H＋的浓度有关。在催化剂H+浓度固定的条件下，这个反应本是二级反应，但由于有大量水存在，虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小。因此，反应速度只与蔗糖浓度成正比，此反应为一级反应。若在反应过程中的不同时间测得蔗糖的相应浓度，即可求得该反应的速度常数k。【实验部分】一、实验原理1,、一级反应反应速率只与某反应物浓度成正比的反应称为一级反应，即dCdtkCAA8……(1)式中：k是反应速率常数，CA是反应物的浓度，t是时间，设CA0为反应物起始浓48度，积分可得：lnlnCktCAA08……(2)若以lnCA对t作图，可得一直线，其斜率的绝对值即为反应速度常数k。反应速度还可用半衰期t1/2来表示。若x为在t时间内已经起反应了的反应物浓度，则在ｔ时的反应速度为：dCxdtkCxAA()()00积分可得：tkCCxAA100ln8……(3)当反应物浓度为起始浓度一半时，即xCA120时所需之时间，称为半衰期t1/2，显然，tkCCCkkAAA1200011220693/lnln.8……(4)上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数k，而与起始浓度无关。这是一级反应的一个特点。2、蔗糖转化反应蔗糖转化的反应方程式为：C12H22O11（蔗糖）＋H2OHC6H12O6（葡萄糖）＋C6H12O6（果糖）此反应的反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H＋的浓度有关。在催化剂H+浓度固定的条件下，这个反应本是二级反应，但由于有大量水存在，虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小。因此，反应速度只与蔗糖浓度成正比。其浓度与时间的关系，符合(1)式的条件，所以此反应为一级反应。若在反应过程中的不同时间测得蔗糖的相应浓度，代入上式即可求得该反应的速度常数k。3、测量反应进度的方法测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度有两种方法：（1）化学方法是在反应过程中每经过一定的时间取出部分反应混合物，并用化学的方法使其反应立即停止，记录时间，分析此时反应混合物中产物或反应物的浓度。这种方法得到的结果比较准确，重复性较好，但操作的手续较为繁琐，有些反应让其中止比较困难。（2）物理方法是利用反应体系中反应物或产物的某些物理性质（例如导电性、旋光性、吸光、体积、压力、折光等）与物质浓度的关系，通过测量这些物理性质的变化来确立物质的浓度。用物理方法进行测量时要满足以下条件：①物理性质与反应物质的浓度要有简单的线性关系，最好是正比关系；②在反应过程中反应体系的物理性质要有明显的变化；③不能有干扰因素；④有较好的测量仪器设备；物理法的优点在于不需从反应体系中取出样品，可直接测定，它不需要停止反应而可连续迅速地进行分析，且可将物理性质变成电信号进行自动记录等。但49对于那些反应中有副反应或少量杂质对所测量的物理性质影响较灵敏时将会造成较大的误差。4、旋光度及比旋光度本实验是根据反应物与生成物均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性，但旋光能力不同这一特点，可用体系反应过程旋光度的变化来量度反应的进程。测量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有旋光物质之旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管长度、光源波长及温度等均有关系。当其它条件固定时，旋光度与反应物浓度C呈线性关系，即：=KC8……(5)式中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。比旋光度可用下式表示：[]DtlC1008……(6)式中：t－实验温度。D－所用光源为钠灯D线（波长589nm）。－测得的旋光度（）。l－样品管的长度（dm）。C－浓度（克/100mL）。作为反应物的蔗糖是右旋性的物质，其比旋光度[]D20=66.6°。生成物中，葡萄糖也是右旋性的物质，其比旋度[]D20=52.5°。但果糖是左旋性物质，其比旋度[]D20=－91.9°。由于生成物中果糖之左旋比葡萄糖右旋性大，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∞。设体系最初的旋光度为0，则0=K反CA0（t=0，蔗糖尚未转化）8……(7)最终体系的旋光度为：=K生CA0（t=，蔗糖完全转化）8……(8)式(7)、(8)中，K反和K生分别为反应物与生成物之比例常数。当时间为t时，蔗糖浓度为CA，此时旋光度t为：t=K反CA＋K生(CA0－CA)8……(9)5、反应速率常数综合上面几式可得：CKKKA000'()8……(10)CKKKAtt'()8……(11)代入积分式(2)后，得：ln()ln()tkt08……(12)若以ln()t对t作图，得一直线，其斜率为－k，从而求得反应的速度常数k。二、实验仪器与实验试剂1、实验仪器：50名称及型号生产厂家数量WZZ型自动旋光仪上海精密科学仪器有限公司1台HK-2A型超级恒温水浴南京南大万和科技有限公司1台150mL磨口锥形瓶4支25mL移液管2支50mL移液管2支洗耳球1支100mL量筒1支200mL容量瓶1支500mL广口瓶1支2、实验试剂：名称参数蔗糖分析纯盐酸4mol/dm-3三、实验步骤1、了解、熟悉旋光仪的结构、原理和使用方法。（详见附录）2、用蒸馏水校正仪器的零点:蒸馏水为非旋光物质，可用以校正仪器的零点（即=0时仪器对应的刻度）。校正时，先冼净样品管，将管一端加上盖子，并向管内灌满蒸馏水，使液体形成一凸出了液面，然后在样品管上面盖上玻璃片，此时管内不应有气泡存在，再旋上套盖，使玻璃片紧贴于旋光管，勿使漏水。但必须注意旋紧套盖时不能用力过猛，以免玻璃片压碎。用滤纸将样品管擦干，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。将样品管放入旋光仪内。打开光源，调整目镜聚焦，使视野清楚。然后旋转检偏镜，直到所观察到的三分视野暗度相等为止，记下检偏镜之旋角，重复测量数次，取其平均值，此均值即为零点，用来校正仪器的系统误差。3、蔗糖转化旋光度的测定：将超级恒温槽调节到所需的温度，在干燥的150mL的锥形瓶中准确移取25ml蔗糖溶液，在另一试剂瓶中置入一些4mol·dm-3HCl，将两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时，然后准确移取25mL已恒温的HCl，注入到已恒温的25mL蔗糖溶液中，待移液管中的HCl流出一半时开始记时，将混合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管2－3次，然后将反应液装满样品管，盖好盖子并擦净。立即放入旋光仪内，测量各时间的旋光度。第一个数据要求离开始起反应的3min内记录，测量时将三分视野调节暗度相等后，先记录时间，再读取旋光度。为了多读一些数据，反应开始15min内，每分钟测量一次，以后由于反应物浓度降低，一直测量到出现旋光度负值为止。反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放长。514、实验安排：第一位第二位第三位第四位第五位温度/℃30.0040.0030.0035.0030.0035.0030.0035.0035.0040.0025mL蔗糖浓度(g/100mL)低低高高低低高高低低5510105510105525mL盐酸浓度(mol/dm-3)22444422225、的测定将剩余的反应液放置48hr后，在相同温度下测定溶液的旋光度，即为值，为了缩短时间，还可将剩余的反应液和样品管中的反应液混合置于50°－60℃水浴上温热30min，使其加速反应至完全，然后冷却至原来温度，再测此溶液的旋光度，观察读数是否稳定，若稳定，即为值。注意水浴温度不可过高，否则将产生副反应，颜色变黄。加热过程亦应避免溶液蒸发影响浓度，影响的测定。四、实验注意事项1、在进行实验前，要熟练掌握旋光仪的使用，能正确而迅速地读出其读数。2、旋光管只要旋至不漏水即可，过进地旋扭会造成损坏，或因玻片受力而产生假旋光。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，溶液应先恒温后再混合。5、装液时注意比色管中不能有明显的气泡。6、比色管要润洗三次后再开始测量；每次测量后要用蒸馏水洗三次以上。7、注意应将酸倒在蔗糖中。8、混合一半时开始计时。9、数据来回跳动时取中间值或出现频率较高的一个。五、实验结果及误差分析1、我的实验结果蔗糖浓度：10g/100mL盐酸浓度：2M(1)恒温槽控温：30.00℃①反应速率：k1=0.0197min-1②反应的半衰期：tkCCCkkAAA1200011220693/lnln.=0.693/0.0197=35.177min③798.61399.20e(2)恒温槽控温：35.00℃①反应速率：k1=0.0374min-1②反应的半衰期：52tkCCCkkAAA1200011220693/lnln.=0.693/0.0374=18.529min③946.614786.20e2、所有反应条件下反应速率常数汇总：反应条件T=30℃（303.15K）T=35℃（308.15K）T=40℃（313.15K）4MHCl2MHCl4MHCl2MHCl4MHCl2MHCl5g/100mL蔗糖溶液k1=0.0604k4=0.0208k5=0.1111k6=0.0370\k9=0.072110g/100mL蔗糖溶液k3=0.0612k5=0.0197k7=0.1119k8=0.0374\\3、所有反应条件下反应活化能数据汇总：序号蔗糖浓度(g/100mL)盐酸浓度(mol/L)水浴恒温T/℃k(min-1)t1/2(min)Ea(kJ/mol)①5230.000.020833.31798.11340.000.07389.390②5430.000.060411.47494.66635.000.11116.238③5235.000.037018.730103.21740.000.07049.844④10230.000.019735.17899.57535.000.037418.529⑤10430.000.061211.32493.73635.000.11196.193反应的平均活化能：Ea=97.861kJ/mol4、实验误差分