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.了解旋光仪器仪的基本原理，并掌握其正确的操作技术。二、实验原理一级反应的速率方程可由下式表示：-kcdtdc积分可得：lnc=－kt+lnc0式中c0为反应物的初始浓度，c为t时刻反应物的浓度，k为反应速率常数。一级反应的半衰期为：t1/2=kkIn693.02从上式可以看出，一级反应的半衰期与起始浓度无关。这是一级反应的一个特点。若用lnc对t作图应为一直线。这是一级反应的另一个特点，由直线的斜率可求速率常数k。然蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为：C12H22O11(蔗糖)+H2OHC6H12O6(葡萄糖)+C6H12O6(果糖)为使水解反应加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。此反应的反应速率与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H+的浓度有关。但反应过程中，由于水是大量的，可认为水的浓度基本是恒定的，且H+是催化剂，其浓度也保持不变，故反应速率只与蔗糖的浓度有关，所以蔗糖水解反应可看作是一级反应。蔗糖及水解产物均为旋光性物质，但他们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来度量反应进程，测量旋光度所用的仪器称为旋光仪。溶液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、光源的波长及温度等均有关系。在蔗糖水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质，比旋光度为[α]20D=66.6°，生成物中葡萄糖也是右旋性物质，比旋光度为[α]20D=52.5°，而果糖则是左旋性物质，[α]20D=-91.9°。随着反应的进行，右旋角不断减小。当反应进行到某一时刻，体系的旋光度经过零点，然后左旋角不断增加。当蔗糖完全转化时，左旋角达到最大值α∞。设蔗糖尚未转化时，体系最初的旋光度为α0=K反c0①最终系统的旋光度为α∞=K生c0②当时间为t时，蔗糖浓度为c，此时旋光度为αtαt=K反c+K生(c0－c)③联立①、②、③式可得：2c0=生反KK0=K（α0－α∞）④c=生反KKt=K（αt－α∞）⑤将④、⑤两式代入速率方程即得：ln(αt－α∞)=-kt+ln（α0－α∞）我们以ln(αt－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，也可求反应的半衰期。三、实验仪器、试剂仪器：旋光仪、恒温水槽一套、停表、50mL移液管、150mL锥形瓶、烧杯、天平、洗耳球药品：蔗糖(AR)、盐酸(3mol/L，AR)四、实验步骤一、旋光仪的校正1．了解和熟悉旋光仪的构造和使用方法。2．开启水浴恒温槽的电源开关，并将水浴恒温槽的温度控制在60℃3.旋光仪零点的校正蒸馏水为非旋光性物质，可用来校正仪器的零点。将旋光管的一端盖子旋紧，由其另一端加入蒸馏水，然后旋紧套盖，但不要过紧，以不漏水为准。如果管中有气泡，可将气泡导入旋光管粗肚部分。用滤纸将旋光管外部擦干，旋光管两端的玻璃片可用擦镜纸擦净。打开光源，把旋光管放入旋光仪内，调整目镜焦距使视野清楚。然后旋转检偏镜至视野中所观察到明暗相等的三分视野为止。记下检偏镜的旋转角，重复数次，取其平均值。此值即为仪器的零点。二、测定1.配制蔗糖溶液：用天平称取10g蔗糖放入烧杯内，加少量蒸馏水溶解后转移到50ml容量瓶中，稀释至刻度。2.旋光度的测定：将50ml配制好的蔗糖溶液，置于干净的锥形瓶中，再用50ml移液管吸取3mol·L-1HCL注入蔗糖溶液中。当HCL溶液流出一半时，开始计时（作为反应开始的时间）。HCL全加入后混合均匀，迅速用少量的混合液洗涤旋光管两次，然后将反应液加入旋光管内，测定αt，5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min，依次各测一次旋光度。3.α∞的测定：将剩余的反应混合物放入60℃恒温水浴中，加热60min，使反应充分后，冷却至室温后装入旋光管测定α∞。五、数据记录与处理实验温度：27.1℃盐酸浓度：3mol/L零点：-0.0833∞：-3.58反应时间/mintt-∞ln(t-∞)K135101520253040506011.33339.18337.48335.78334.38333.18331.1833-0.3167-1.466714.913312.763311.06339.36337.96336.76334.76333.26332.11332.7022.5472.4042.2372.0751.9121.5611.1830.7480.0447080.0378540.0347690.0344270.0340220.0337850.0341130.0348510.036292以ln(αt－α∞)对t作图得到如下结果：由图可知直线的斜率为-0.03514，所以反应的速率常数为k1=0.03514截距c=2.92554，即c=In（α0－α∞）蔗糖水解反应的半衰期t1/2=㏑2/k1=0.693/k1=19.72由各时间的k值可得速率常数的平均值为0.036091相对误差=（实验值-理论值）/理论值=（0.036091-0.03514）/0.03514×100%=2.71%六、结果与讨论误差分析：由计算可得相对误差较小，实验较成功。可能存在的误差为：1.用旋光仪读数时，通过检偏镜用肉眼判断三分视野明暗存在误差，导致实验数据误差。2.以盐酸流出一半为反应开始计时，由于无法准确判断，所以导致反应时间存在误差。3.旋光管内存在少许气泡，导致读数存在误差。注意事项：1.速度常数k与浓度有关，所以酸的浓度必须精确，以保证反应体系中H+浓度与实验要求的相一致。2.在放置旋光管上的玻璃片时，将玻璃盖片沿管口轻轻推上盖好，再旋紧套盖，勿使其漏水或产生气泡。3.旋光仪使用中，若两次测定中间间隔时间较长，则应切断电源，让灯管休息一会，在下次使用提前10分钟再开启。4.对三分视野的明暗判断影响实验值的精度，因此要求判断时尽可能作到快而准。