旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應的速率常數(shù)

1、旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應的速率常數(shù)-陳昱彰 06333217 目的要求一 了解旋光儀的基本原理，掌握旋光儀的正確使用方法 二 了解反應的反應物濃度與旋光度之間的關系 三 測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應的速率常數(shù)和半衰期 基本原理蔗糖在水中轉(zhuǎn)化成葡萄糖與果糖, 其反應為C12H 22O 11 + H2O C6H 12O 6 + C6H 12O 6( 蔗糖 (葡萄糖 ( 果糖 它是一個二級反應, 在純水中此反應的速率極慢, 通常需要在H +離子催化作用下進行. 由于反應時水是大量存在的, 盡管有部分水分子參加了反應, 仍可近似地認為整個反應過程中水的濃度是恒定的, 而且H +是催化劑, 其濃度也保持不變. 因此蔗

2、糖轉(zhuǎn)化反應可看作為一級反應。一級反應的速率方程可由下式表示 Dc /D t =Kc ( 161 c 為時間t 時的反應物濃度,K 為反應速率常數(shù). 積分可得Ln c = Kt + LnCo (162C 0為反應開始時反應物濃度。當C=0.5Co 時, 可用T 1/2表示, 既為反應半衰期:T 1/2 =Ln2 / K = 0.693 / K (163從(162 式, 不難看出, 在不同時間測定反應物的相應濃度, 并以Ln 對t 作圖, 可得一直線, 由直線斜率既可得反應速率常數(shù)K o 然而反應是在不斷進行的, 要快速分析出反應物的濃度的困難的. 但蔗糖及其轉(zhuǎn)化物, 都具有旋光性, 而且它們的旋

3、光能力不同, 故可以利用體系在反應進程中旋光度的變化來度量反應的進程。 測量物質(zhì)旋光度的儀器稱為旋光儀。溶液的旋光度與溶液中所含物質(zhì)的旋光能力、溶液性質(zhì)、溶液濃度、樣品管長度及溫度等均有關系。當其它條件固定時,旋光度與反應物濃度C 呈線形關系, 既 = C (164 式中比例常數(shù)與物質(zhì)旋光能力、溶液性質(zhì)、溶液濃度、樣品管長度、溫度等有關。 物質(zhì)的旋光能力用比旋光度來度量, 比旋光度用下式表示: D 20 =.100 / l .CA (165式中D 20右上角的“20”表示實驗時溫度為200C,D 是指用鈉燈光源D 線的波長o(即589nm, 為測得的旋光度( ,l 為樣品管長度( dm ,C

4、A 為濃度( g/100ml 。 作為反應物的蔗糖是右旋性物質(zhì), 其比旋光度D 20 = 66.6o ; 生成物中葡萄糖也是右旋性物質(zhì), 其比旋光度D 20 = 52.5o , 但果糖是左旋性物質(zhì), 其比旋光度D 20 = -91.9o . 由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大, 所以生成物呈現(xiàn)左旋性質(zhì)。因此隨著反應進行, 體系的右旋角不斷減小, 反應至某一瞬間, 體系的旋光度可恰好等于零, 而后就變成左旋, 直至蔗糖完全轉(zhuǎn)化, 這時左旋角達到最大值。設體系最初的旋光度為 0= 體系最終的旋光度為 =反C o ( t=0,蔗糖尚未轉(zhuǎn)化 ( 166 C ( t=, 蔗糖已完全轉(zhuǎn)化 ( 167

5、 生( 186 和( 187 中反和生分別為反應物與生成物的比例常數(shù). 當時間為t 時, 蔗糖濃度為c, 此時旋光度為t , 既 t =反C + 生(Co C ( 168 由( 186 、( 187 和 ( 188 聯(lián)立可解得C0=(o -/( 反-生 = (o - ( 169 C=(t -/( 反-生 = (t - ( 1610 將( 189 和 ( 1810 代入(182 式既得Ln(t -=-Kt +Ln(o - ( 1611 顯然, 以Ln(0- 對t 作圖可得一直線, 從直線斜率既可求得反應速率常數(shù)k 0。 儀器 試劑旋光儀 恒溫箱 容量瓶(50ml 錐形瓶(150m移液管(25ml

6、 蔗糖(分析純 HCL 溶液(4.00mol/L 實驗步驟 一、儀器裝置請仔細閱讀儀器九“旋光儀”，了解旋光儀的構造，原理，掌握使用方法。 二、旋光儀的零點校正蒸餾水為非旋光物資，可以用來校正旋光儀的零點（既=0時儀器對應的刻度）。校正時，先洗凈樣品管，將管的一端加上蓋子，并由另一端向管內(nèi)灌滿蒸餾水，在上面形成一凸面，然后蓋上玻璃片和套蓋，玻璃片緊貼于旋光管，此時管內(nèi)不應該有氣泡存在。但必須注意旋緊套蓋時，一手握住管上的金屬鼓輪，另一手旋套蓋，不能用力過猛，以免玻璃片壓碎。然后用吸濾紙將管外的水擦干，再用擦鏡紙將樣品管兩端的玻璃片擦凈，放入旋光儀的光路中。打開光源，調(diào)節(jié)目鏡聚焦，使視野清晰，再

7、旋轉(zhuǎn)檢偏鏡至能觀察到三分視野暗度相等為止。記下檢偏鏡的旋光度，重復測量數(shù)次，取其平均值。此平均值即為零點，用來校正儀器系統(tǒng)誤差。三、反應過程的旋光度的測定將恒溫水浴和恒溫箱都調(diào)節(jié)到所需的反應溫度（如15C 、25C 、30C 或35C ）。 在錐形瓶內(nèi)，稱取20g 蔗糖，加入100ml 蒸餾水，使蔗糖完全溶解，若溶液混濁，則需要過濾。用移液管吸取蔗糖溶液25ml ，注入預先清潔干燥的50ml 試管內(nèi)并加蓋；同法，用另一支移液管吸取蔗糖溶液25ml 4.00mol.dm-3的的HCL 溶液，置于另一支50ml 試管內(nèi)加蓋。將這兩支試管一起置于恒溫水浴內(nèi)恒溫10min 以上，然后將兩支試管取出，擦

8、干管外壁的水珠，叫盛有HCL 溶液的那支試管倒入蔗糖溶液中，同時記下反應開始的時間，迅速進行混合，使之均勻后，立即用少量反應液蕩洗旋光管兩次，然后將反應液裝滿旋光管，旋上套蓋，放進已預先恒溫的旋光儀內(nèi)，測量各時間的旋光度。第一個數(shù)據(jù)，要求在離反應起始時間12min 內(nèi)進行測定。在反應開始15min 內(nèi)，每分鐘測量一次，以后由于反應物濃度降低，使反應速率變慢，可以將每次測量的時間間隔適當放寬，一直測量到旋光度為負值為止。 四、的測量反應完畢后，將旋光管內(nèi)反應液與試管內(nèi)剩余的反應混合液合并，置于5060o C 的水浴內(nèi)溫熱40min ，使其加速反應至完全。然后取出，冷至實驗溫度下測定旋光度，在10

9、15min 內(nèi)，讀取57個數(shù)據(jù)，如在測量誤差范圍，取其平均值，既為值。oooo五、同上法（步驟三、四）測量其它溫度下不同反應時間對應的旋光度。 數(shù)據(jù)處理零點求算 反應過程的旋光度的測定 的測定溫度:55 一、將反應過程所測得的旋光度t 和對應時間t 列表，作出t -t 曲線圖。旋光度-時間 圖4.84.64.44.24.03.83.63.43.2246810二、將t -t 曲線上，等間隔取8個（t -t ）數(shù)組，并通過計算，以ln （t -）對t 作圖，由直線斜率求反應速率常數(shù)k 并計算反應半衰期t 1/2。 ln（t-）-t 圖 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3

10、 1.2 10 15 20 25 30 35 由上圖直線斜率（-0.03595）可知 K= 所以反應半衰期為： t1/2=ln2/k=0.693/k=0.693/0.03595=19.27min 評注啟示 一、溫度對反應速率常數(shù)影響很大，所以嚴格控制反應溫度是做好本實驗的關鍵，建議最好 用帶有恒溫夾套的旋光管。本實驗因為在室溫條件下測定，所以在測定過程中，為了防止由 于高壓鈉燈發(fā)光造成體系溫度的上升， 引起測定結果的誤差， 在測定時建議適時將樣品管從 旋光儀中取出，測定計數(shù)時才放入。本實驗最好在室溫 15 度以上操作，以免實驗時間過長， 此時旋光度與時間變化關系變成近似于直線的關系， 而實際則

11、應該為曲線關系， 故反應時間 控制在 3040min 為宜。 二、在混合蔗糖溶液時，我們是將 HCL 溶液加到蔗糖溶液中去的，可否將蔗糖加到 HCL 溶 液中？不能，因為將反應物蔗糖加入到大量 HCL 溶液時，一旦加入則馬上會分解產(chǎn)生果糖 和葡萄糖，則在放出一半開始時，已經(jīng)有一部分蔗糖產(chǎn)生了反應，記錄 t 時刻對應的旋光度 已經(jīng)不再準確。反之，將 HCL 溶液加到蔗糖溶液中去，由于 H+的濃度小，反應速率小，計 時之前所進行的反應的量很小。 三、的測量過程中，剩余反應混合液加熱溫度不宜過高以 5055為宜，否則有副反應 發(fā)生，溶液變黃。因為蔗糖是由葡萄糖的苷羥基與果糖的苷羥基之間縮合而成的二糖

12、。在 H+離子催化下，除了苷鍵斷裂進行轉(zhuǎn)化外，由于高溫還有脫水反應，這就會影響測量結果。 四、蔗糖在純水中水解速率很慢，但在催化劑作用下會迅速加快，其反應速率大 小不僅與催化劑種類有關而且與催化劑的濃度有關。 本實驗除了用 H+離子作催化劑外，也可用蔗糖酶催化。后者的催化效率更高，并 -3 且用量大大減少。 如用蔗糖酶液 （35 活力單位/毫升） 其用量僅為 2mol.dm HCL ， 用量的 1/50。 蔗糖酶的制備可采用以下方法：在 50mL 清潔的錐形瓶中，加入鮮酵母 10g，同 時加入 0.8g 醋酸鈉，攪拌 1520min，使團塊溶化，再加入 1.5mL 甲苯，用軟 o 木塞將瓶口塞

13、住， 搖蕩 10min， 置于 37 C 恒溫水浴中， 保溫 60h。 取出后加入 1.6mL -3 醋酸溶液（4 mol.dm ）禾 mL 蒸餾水，使其中 pH 為 4.5 左右，搖勻。然后用離 心機，以 3000r/min 的轉(zhuǎn)速，離心 30min，取出后用滴管將中層澄清液移出，放 置于冰柜中備用。 本實驗用 HCL 溶液作催化劑（濃度保持不變）。如果 HCL 濃度，其蔗糖轉(zhuǎn)化速率 也隨著變化。詳見表 18-1。反應所用蔗糖溶液初始濃度為 20%。 五、溫度對測定反應速率常數(shù)影響很大，所以嚴格控制反應溫度是做好本實驗的 關鍵。建議在反應開始時溶液的混合操作在恒溫箱中進行。 反應進行到后階段

14、，為了加快反應進程，采用 5060 C 恒溫，使反應進行到底。 但溫度不能高于 60oC，否則會產(chǎn)生副反應，使反應液變黃。因為蔗糖是由葡萄糖 + 的苷羥基與果糖的苷羥基之間縮合而成的二糖。在 H 離子催化下，除了苷鍵斷裂 進行轉(zhuǎn)化反應外，由于高溫還有脫水反應。這就會影響測量結果。 六、這里介紹一個重要概念假級反應。 對于蔗糖水解：C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 ( 蔗糖 (葡萄糖 ( 果糖 o 人們發(fā)現(xiàn)該反應速率為：v=kc（C12H22O11）。因為溶劑水參加反應，預計其速率定 律應具有：v=k´cm（C12H22O11）cn（H2O）的形式。由

15、于水是大量存在的，各次實 驗中，水的濃度幾乎保持不變。因此，可以認為：k= k´cn（ H2O）。這個反應稱 為假一級反應，或稱準一級反應。 欲測定 n 是很困難的但動力學表明 n=6。這可以用包含六合水化蔗糖的反應 歷程予以解釋。 假級數(shù)包括在催化反應中，催化劑影響速率，但在反應中不損耗。在一次實 驗中，H30+濃度固定白變。然而，改變 c（H30+）進行一系列實驗中，人們發(fā)現(xiàn)實 際上速率對 H30+為一級反應。對于蔗糖水解的正確速率為 v=k´´c（C12H22O11）c6 （ H2O）c （H30+）反應為 8 級。然而在某一次實驗中，它的表觀（或假）級數(shù)

16、為 1。 本實驗在安排上，由于時間原因，采用測定兩個溫度下的反應速率常數(shù)來計 算反應活化能。如果時間許可，最好測定 5 至 7 個溫度下的速率常數(shù)，用作圖法 求算反應活化能 E，更合理可靠些。 根據(jù)阿侖尼烏斯方程的積分形式： Ln k =-E/RT + 常數(shù) 測定不同溫度下的 k 值，作 Ln k 對 1/T 圖，可得一條直線，從直線斜率求算反 應活化能 E。 提問思考 一、實驗中，我們用蒸餾水來校正旋光儀的零點，試問在蔗糖轉(zhuǎn)化反應過程中所 測的旋光度t 是否必須要進行零點校正？ 答： 蔗糖溶液以蒸餾水作溶劑， 故用純蒸餾水作零點校正。 蔗糖轉(zhuǎn)化反應過程中， 無須再作零點校正，因都以蒸餾水作校

17、正，只需校 正一次。 二、配置蔗糖溶液時稱量不夠準確，對測量結果是否有影響？ 答：沒有影響，由此式可知 Ln(t-=-Kt+Ln(o-，我們要求的速率常 數(shù)和半衰期和蔗糖濃度無關所以配置溶液時不必足夠精確。 三、混合蔗糖溶液和鹽酸溶液時，我們將鹽酸加到蔗糖溶液里去了，可否將蔗糖 溶液加到鹽酸溶液中去？為什么？ 答：不能，因為將反應物蔗糖加入到大量 HCL 溶液時，一旦加入則馬上會分解產(chǎn) 生果糖和葡萄糖，則在放出一半開始時，已經(jīng)有一部分蔗糖產(chǎn)生了反應，記錄 t 時刻對應的旋光度已經(jīng)不再準確。反之，將 HCL 溶液加到蔗糖溶液中去，由于 H+的濃度小，反應速率小，計時之前所進行的反應的量很小。 注意 1、由于酸對儀器有腐蝕，操作時應特別注意，避免酸液滴漏到儀器上。實驗結 束后必須將旋光管洗凈。 2、測量完畢的溶液要倒入燒杯中，以防丟失樣品管的蓋玻璃。 3、為確保能盡快讀出第一個數(shù)據(jù)，事先要熟悉裝樣方法。 4、用反應液涮洗樣品管