實驗12一級反應(yīng)——蔗糖的轉(zhuǎn)化

1、實驗12 一級反應(yīng)一一蔗糖的轉(zhuǎn)化 、目的要求 1. 根據(jù)物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，用測定旋光度的方法測定蔗糖水溶液在酸催化作用下的反應(yīng) 速率常數(shù)和半衰期。 2. 了解該反應(yīng)的反應(yīng)物濃度與旋光度之間的關(guān)系及一級反應(yīng)的動力學(xué)特征。 3. 了解旋光儀的基本原理，掌握其使用方法及在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)測定中的應(yīng)用。 、原理 蔗糖轉(zhuǎn)化過程的方程是： H + C12H22O12 + 出0A C6H1Q6 +。6日12。6 （蔗糖）（葡萄糖）（果糖） 其速率方程為： k Cs Ch 2o Ch ：卜（12-1 ） dt 式中k 為反應(yīng)速率常數(shù)，Cs為時間t時蔗糖濃度，此反應(yīng)在定溫條件下，在純水中進行的 反應(yīng)速率很慢，通常需

2、要在 H 催化下進行，因此 H 做催化劑，在反應(yīng)過程中濃度可視為 不變，則式（12-1 ）變?yōu)椋?-dcs S=kCs CH2O（ 12-2） dt 式中k二kcH - （ 12-2）式表明該反應(yīng)為二級反應(yīng)，但由于有大量水存在，雖然有部分水 分子參加反應(yīng)，但在反應(yīng)過程中水的濃度變化極小而視為常數(shù)合并到k”中，故式（12-2） 可寫成: dt -k表，Cs (12-3) 式中k表，工kcH . cHO，故蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)可看作表觀一級反應(yīng)，當(dāng)t = 0時，蔗糖的初始濃 度為Co ,積分（12-3）式得： Incs 二-k表，t Inc。（ 12-4） 1 若以Ines對t做圖，可得一條直線，從直線斜

3、率可求得k表1，當(dāng)CsCo,t =切2時，半衰 2 期切2 = = 0.6931，切2只決定于k表1而與蔗糖起始濃度無關(guān)，這是一級反應(yīng)的特征。 k LrA 表，1人表,1 如何獲得不同時刻t時的Cs呢？因蔗糖及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物葡萄糖和果糖都含不對稱的碳原子，都 具有旋光性，但旋光能力不同，故可利用體系在反應(yīng)過程中旋光度的變化來度量反應(yīng)過程, 度量旋光度所用的儀器稱為旋光儀，它是利用偏振光通過具有旋光性的被測物質(zhì)，用檢偏鏡 來測定旋光度的，其構(gòu)造及測量原理圖12-1。 起偏窺石英條 祥品管 檢傭鎬讀數(shù)盤望遠鏡 圖12-1旋光儀的構(gòu)造示意圖 從圖12-1看出，自然光通過起偏鏡產(chǎn)生偏振光，該偏振光部分通過

4、狹長石英條（寬度為 視野的1/3 ）,偏振面被旋轉(zhuǎn)了一個角度（角很?。@種中間與兩邊偏振面不同（相差 角）的偏振光在樣品管中被旋轉(zhuǎn)（同樣角度）后到達檢偏鏡。如果檢偏鏡能通過的光振面與 中間光偏振面一致，則視野中可見到如圖12-2 （a）,中間亮兩邊暗；同樣檢偏鏡能通過的 光偏振面與兩邊的光一致，則視野中出現(xiàn)圖12-2 （ b）,中間暗兩邊亮；在與圖 12-2 （a） 和12-2 （b ）的角度都相差/2角的地方，存在一點，整個視野的光亮度一致，如圖12-2 （c）。這點作為讀數(shù)點，某溶液和純水的讀數(shù)之差就是溶液的旋光度。 (b) (c) 圖12-2旋光儀的三分視野圖 旋光儀的大小與溶液中所含

5、旋光物質(zhì)之旋光能力、溶劑性質(zhì)、溶液的濃度、光源波長 以及溫度等有關(guān)。當(dāng)其它條件均固定是，旋光度 :與反應(yīng)物質(zhì)濃度C呈線性關(guān)系，即： :-Kc 式中的比例常數(shù) K與物質(zhì)之旋光能力、溶劑性質(zhì)、溶液厚度、溫度等有關(guān)。當(dāng)波長、溶劑 及溫度一定時，溶液的旋光度與濃度、樣品長度成正比，即 :-匚D0 100 式中的比例常數(shù)： D0稱為比旋光度，可用來度量物質(zhì)的旋光能力，20為實驗溫度20 C, D 是指所用鈉光燈源 D線，波長5893 A , L為樣品管長度（dm） , c為濃度（g/100ml ）。 反應(yīng)物蔗糖為右旋物質(zhì)，比旋光度：D0 =66.6 生成物中葡萄糖也是右旋物質(zhì)， ： 20 =52.5 ;

6、果糖是左旋物質(zhì)，其： 20 - -91.9。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖 的右旋性大，所以生成物總體呈現(xiàn)左旋性質(zhì)。因此，隨著反應(yīng)的進行，右旋角不斷減小，反 應(yīng)至某一瞬間，體系的旋光度可恰好等于零。而后變成左旋，直至蔗糖完全轉(zhuǎn)化，這時左旋 角達到最大值-二。設(shè)最初的旋光度為 -：j0 - K反C0（蔗糖尚未轉(zhuǎn)化t =0）（12-5 ） 最后的旋光度為 -K生C0（蔗糖已完全轉(zhuǎn)化t ）（12-6 ） 最后濃度。當(dāng)時間為t時，蔗糖濃度為 G，此時旋光度為- 式中K反、K生分別為反應(yīng)物與生成物的比例系數(shù)，c0為反應(yīng)物的起始濃度即生成物的 t , (12-7 ) 、-t = K反Cs K生(Co C

7、s) 由式12-5、12-6、12-7聯(lián)立，可解得: (12-8) (12-9 ) 將此關(guān)系式代入（12-4 ）式即得: 若以igCt - - J對t作圖，從其斜率即可求得反應(yīng)速率常數(shù)k表，進而求出其半衰期t1/2。 三、儀器和試劑 旋光儀1臺；電熱恒溫水浴鍋 1臺；量筒（500ml）2只；三角錐瓶（100ml）1只； 停表；臺秤；蔗糖（AR）;鹽酸（6mol dm）；擦鏡紙。 四、實驗步驟 1. 配置20%蔗糖溶液 在臺秤上稱取6g蔗糖于錐形瓶中，加入 24ml蒸餾水搖動使其溶解。 2. 旋光儀零點的校正 把旋光管一端的蓋旋開（注意蓋內(nèi)玻片以防跌碎），用蒸餾水洗凈并充滿，使液體在管 口形成一

8、凸出的液面，然后將玻片輕輕推放蓋好，注意不要留有氣泡， 然后旋好管蓋，注意 不應(yīng)過緊，使不漏水即可。把旋光管外殼及兩端玻片水漬吸干，把旋光管放入旋光儀中，打 開電源，旋轉(zhuǎn)刻度盤在 0度附近。調(diào)整目鏡聚焦，使視野清楚，在旋光儀的視野中會看到 如圖12-3的三分視野圖，旋轉(zhuǎn)刻度盤使三分視野中的陰暗度完全相等，三分視野的分界線 消失如圖12-3（ c），則可讀取數(shù)據(jù)。重復(fù)三次，取其平均值，即為旋光儀的零點讀數(shù)。 3. 反應(yīng)過程中旋光度的測定 在蔗糖溶液錐瓶中，加入6mol dmHCI溶液30ml，剛加至1半時開始記時，此時 為反應(yīng)開始的時間（注意：是一次性加入的！）。倒出旋光管中蒸餾水，以少量蔗糖溶

9、液蕩洗 一次，然后盡快放入旋光儀中，在時間間隔為 5min、10min、15min、20min、30min、40min、 50min、60min 時測其旋光度，直至旋光度為-2左右為止。多次測定后關(guān)上鈉光燈，欲 測時提前5min開燈。為防止旋光儀發(fā)熱而影響旋光管內(nèi)反應(yīng)系統(tǒng)的溫度，最好每次測定后， 將旋光管移出旋光儀。 4. :的測定 將剩下的溶液在6575 C的水浴內(nèi)恒溫約 5min，然后冷卻至原來的溫度，并取少量溶 液蕩洗旋光管后，裝滿溶液，測其旋光度：。 5. 實驗完畢，洗凈旋光管，擦干復(fù)原。 五、注意事項 1. 注意不要打破或丟失小玻璃片。 2. 加熱反應(yīng)溶液時，注意水溫不能超過70 C

10、,加熱時間不超過 5min，否則會產(chǎn)生副 反應(yīng)，溶液將會變成黃色。加熱的同時，要不斷攪拌。 六、數(shù)據(jù)處理 1. 儀器零點 ，一：的值，實驗溫度 C。 2. 列出t 表，并作出相應(yīng)的： -t圖。 3. 從:t -t曲線上，等 時間間隔讀取8io個t數(shù)值，并算出igGt -：）和 ig（o -的值，列出下表： t (min) at gt -G lg(a。-) k 4. 以IgCt -）對t做圖，由直線斜率求出反應(yīng)速率常數(shù)k表,，并計算出反應(yīng)的半衰 期 t1/2。 七、思考題 1. 本實驗中，用蒸餾水校正旋光儀的零點時，若不進行校正，對實驗結(jié)果是否有影響？ 2. 一級反應(yīng)有那些特征？為什么配置蔗糖溶液可用臺秤稱量？ 3. 在混合蔗糖溶液和 HCI溶液時，是將HCI溶液加入到蔗糖溶液中，可否把蔗糖溶液 加到HCI溶液中，為什么？ 4. 在測量蔗糖鹽酸水溶液時刻t對應(yīng)的旋光度：t時，能否象測純水的旋光度那樣，重 復(fù)測三次后，取平均值？ 5. 你認為該實驗還有什么改進的地方？ 八、參考資料 1. H