蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測定

1、河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙實(shí)驗(yàn) 15 蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)測定反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)的方法；2掌握旋光儀的使用；掌握通過測量系統(tǒng)物理量跟蹤反應(yīng)系統(tǒng)濃度的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理蔗糖水溶液在H+存在的條件下，按下式進(jìn)行水解：C12H22O11（蔗糖）+H2OC6H12O（果糖）+C6H12O（葡萄糖） 66在該反應(yīng)中，H+是催化劑，當(dāng)溫度、H+濃度一定時(shí)，反應(yīng)速率與蔗糖和水的濃度成正比， 即：-dc=k'cAcB （15.1） dtH+式中，cA、cB分別代表蔗糖濃度和水的濃度。當(dāng)蔗糖濃度很低時(shí)，反應(yīng)過程中H2O濃度相對與蔗糖濃度改變很小，故，可近似認(rèn)為cB為

2、常數(shù)，令：k'cB=k=常數(shù) （15.2） 則（15.1）式可寫成： -dc=kcA （15.3） dt將（15.3）式分離變量后進(jìn)行定積分：當(dāng) t=0時(shí)， CA=CA0 ；t=t時(shí)， CA=CA;定積分式為： -積分結(jié)果：lncA=-kt+lncA0 （15.5） (15.5)式是lncAt的直線方程。反應(yīng)進(jìn)行過程中，測定不同時(shí)刻 t 時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中蔗糖的濃度cA，取得若干組cA、t 的數(shù)據(jù)后，以lncA對t 作圖，得一直線，表明該反應(yīng)為一級反應(yīng)（準(zhǔn)一級反應(yīng)），直線斜率為-k。物理化學(xué)的研究方法是采用物理的方法測定反應(yīng)系統(tǒng)某組分的濃度，所謂物理的方法是利用反應(yīng)系統(tǒng)某組分或各組分的某些物

3、理性質(zhì)（如面積、壓力、電動勢、折光率、旋光度等）與其有確定的單值函數(shù)關(guān)系的特征，通過測量系統(tǒng)中該物理性質(zhì)的變化，間接測量濃度變化。此種物理化學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以跟蹤系統(tǒng)某組分或各組分1 tdcA=kdt (15.4) CA0c0ACA河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙的物理性質(zhì)的變化，從而，不需要終止反應(yīng)，便可以隨時(shí)測定某一時(shí)刻反應(yīng)系統(tǒng)某組分或各組分的濃度。本實(shí)驗(yàn)利用反應(yīng)物與產(chǎn)物旋光度這一物理性質(zhì)上的差異確定反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)物濃度CA。實(shí)驗(yàn)過程中某一時(shí)刻反應(yīng)系統(tǒng)中蔗糖濃度CA與同一時(shí)刻反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度t、反應(yīng)完成時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度之差成正比，即：t=t時(shí)， cAt； (15.6a)

4、或 cAf(t) (15.6b) 式中f 是比例系數(shù)。同理，t=0時(shí)，cA=cA0，cA00； (15.7a) 或： cA0f(0)； (15.7b) (15.6b) 式除以(15.7b)代入(15.5)式得： ln-cA=lnt=-kt (15.8a) cA00-則， ln(t-)=-kt+ln(0-) (15.8b) (15.8b)為ln(t-)t 的直線方程，式中，0、為反應(yīng)初始及反應(yīng)終了時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度，它們均不隨時(shí)間改變。實(shí)驗(yàn)過程中只需要測定反應(yīng)進(jìn)行的不同時(shí)刻t時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度t(若干個數(shù)據(jù))和反應(yīng)終了時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度（一個數(shù)據(jù)），以ln(t-)對t作圖得一直線，直線斜率為k，

5、用作圖法可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。 也可以不測，而用數(shù)據(jù)處理中介紹的方法計(jì)算得到。關(guān)于偏振光的知識在物理課中已經(jīng)有所介紹，以下就本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的問題介紹如下：當(dāng)偏振光通過旋光物質(zhì)的溶液時(shí)，偏振光的振動面偏轉(zhuǎn)一定角度，此角度的大小與偏振光通過的溶液濃度C及液層厚度L成正比，即：c×L （15.9a）寫成等式為：=20DcL（15.9b）-3（15.9b）式中20為被測溶液的比旋光度，即當(dāng)旋光物質(zhì)溶液濃度C為 1kg.dm, 液層D厚度為0.1m時(shí)溶液的旋光度。又因?yàn)楣獠ǖ牟ㄩL對旋光度有影響，故規(guī)定以20的鈉光（波長為2896×10-9m, 記為“D”）為標(biāo)準(zhǔn)，記作20D。使偏振光順時(shí)

6、針偏轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為右旋物質(zhì)，反之為左旋物質(zhì)，以右旋為正，左旋則為負(fù)。本實(shí)驗(yàn)所涉及的三種旋光物質(zhì)的比旋光度分別為：河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙蔗糖： 20 D= 66.55º葡萄糖： 20 D= 52.50º果糖： 20 D=91.90º以此為根據(jù)，可以判斷本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度，反應(yīng)初始時(shí)應(yīng)為正值，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，旋光度逐漸減小，反應(yīng)終了時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)的旋光度為負(fù)值。三、 儀器藥品旋光儀一臺；25ml移液管兩支；洗耳球一個；100ml三角瓶一個（帶膠塞）；鹽酸水溶液2mol.dm-3（或3mol.dm-3）；0.25kg.dm-3蔗糖溶液；恒溫水浴一套（共用

7、, 當(dāng)用數(shù)據(jù)處理中介紹的方法計(jì)算時(shí)，不用恒溫水?。Ｋ?、實(shí)驗(yàn)步驟1. 測定旋光儀零點(diǎn)：旋光儀接通電源，點(diǎn)亮鈉光燈，等約510分鐘，待光源正常后，測零點(diǎn)，測量方法有二：當(dāng)采用測量的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，旋光儀內(nèi)不裝入旋光管，蓋上蓋，調(diào)整焦距，使視野清晰，然后緩慢轉(zhuǎn)動手輪，使視野中的三部分亮度均勻（注意，此時(shí)三部分亮度均勻但較暗），從刻度盤游標(biāo)尺上讀取讀數(shù)（在零度附近），其精度為0.05º。當(dāng)用數(shù)據(jù)處理中介紹的方法計(jì)算，而不測量時(shí)，將旋光管內(nèi)灌滿純凈的蒸餾水，放入旋光儀，蓋上蓋，調(diào)整焦距，使視野清晰，然后緩慢轉(zhuǎn)動手輪，使視野中的三部分亮度均勻（注意，此時(shí)三部分亮度均勻但較暗），從刻度盤游標(biāo)尺上

8、讀取讀數(shù)（在零度附近），其精度為0.05º。2.反應(yīng)系統(tǒng)旋光度的測定：用指定移液管取25ml蔗糖溶液置于碘量瓶中，用另一支移液管取25ml鹽酸溶液迅速注入碘量瓶中，注入一半時(shí)開始記時(shí)，全部注入后，將混合液搖均勻，灌入準(zhǔn)備好的、潔凈的旋光管，蓋上小玻璃片及管蓋，擦干旋光管，將旋光管放入旋光儀，盡快(最好在記時(shí)后5分鐘之內(nèi))測定反應(yīng)系統(tǒng)的第一個旋光度t，方法同“1”，此后，分別測量第10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、90分鐘左右系統(tǒng)的旋光度。3的測量：將盛有剩余溶液的三角瓶作上標(biāo)記，放入公用的恒溫水浴中，恒溫4560分鐘后，取出自然冷卻至室溫，“2”步完成

9、后，將旋光管中溶液倒掉，灌入三角瓶中的溶液，按照“2”中介紹的方法測量。測量一次以后，隔約20分鐘后，再測量一次，兩次測量結(jié)果基本相同說明反應(yīng)已進(jìn)行到底。五、注意事項(xiàng)1.先掌握旋光儀的使用,主要是掌握三分視野均勻且很暗的視野的確定.2.旋光管在應(yīng)用前必須洗干凈，實(shí)驗(yàn)完成后先用自來水洗凈，再用蒸餾水涮凈；3.液體裝入旋光管后，管內(nèi)不能有大氣泡，光路內(nèi)不能有氣泡，有小氣泡，可將其趕至旋光管的凸部。4旋光管必須擦凈后才能放入旋光儀，否則液體中的鹽酸會腐蝕儀器；河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙5.旋轉(zhuǎn)手輪（旋轉(zhuǎn)檢偏鏡）時(shí)，動作不能過猛，并盡可能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)6.每次測量后，應(yīng)將旋光管取出,下次測量前

10、再放入，避免儀器升溫給測量帶來誤差；7.轉(zhuǎn)動檢偏鏡，找到三分視野均勻但較暗處即為溶液該時(shí)刻的旋光度，注意與三分視野均勻但很亮處的區(qū)別。六、數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)溫度： 測量前T0 = 29 ； 測量前Td= 28 ； 平均溫度Tm= 28.5 旋光管長度： L = 2 dm；反應(yīng)液中蔗糖溶液的初始濃度：cA0= 0.125 kg dm-3 反應(yīng)液中鹽酸溶液的濃度： cH = 1.00 mol dm-3表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表七、數(shù)據(jù)處理.用測得的不同時(shí)刻 t 時(shí)的t 減同一個，得一組t ，取自然對數(shù)（或常用對數(shù)）得ln(t)數(shù)據(jù)，記入下表2.13.2。表2 數(shù)據(jù)處理記錄表河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用

11、紙 在坐標(biāo)紙上，以ln(t)為縱坐標(biāo)，以t/min為橫坐標(biāo)繪圖得一直線，在線上取點(diǎn)求直線斜率m,由直線斜率求出反應(yīng)速率常數(shù) m/min = k。-k=ln(t-)a-ln(t-)bta-tbln(t-)a-ln(t-)bta-tbmk=-minm=m=-0.01542k=-m=0.01542min-1minln(t)t/min八、思考題1蔗糖濃度、鹽酸濃度對反應(yīng)速率常數(shù)k有什么影響?答：蔗糖的濃度對k沒有影響；鹽酸是催化劑，其濃度對k有影響，鹽酸濃度越高，k值越大。2 某一時(shí)刻數(shù)據(jù)未來得及測出怎么辦？答：反應(yīng)開始后，任何時(shí)刻的ln(t)與t的關(guān)系都符合直線關(guān)系，故可以測量相鄰任意時(shí)刻(如下一分

12、鐘)的數(shù)據(jù)。3. 如何確認(rèn)反應(yīng)終了時(shí)的可靠？答：反應(yīng)結(jié)束后，如果溫度不變，值不再改變，兩次測量值基本不變(考慮讀數(shù)誤差，故基本不變)就可以認(rèn)為可靠。4. 旋光管內(nèi)有小氣泡怎么辦？答：將小氣泡趕到玻璃球處，使光路中沒有氣泡即可。5. 為什么用測量的方法時(shí)，零點(diǎn)的測量時(shí)可以不放入旋光管？答：因?yàn)閿?shù)據(jù)處理時(shí)，用ln(t)對t作圖，儀器零點(diǎn)對零點(diǎn)的影響在t中已經(jīng)減掉了。河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙6. 旋光儀的零點(diǎn)是怎么設(shè)計(jì)的？答：旋光儀的零點(diǎn)設(shè)計(jì)使檢偏鏡的透光軸處于起偏鏡透光軸與石英玻璃透光軸兩軸垂直線的角平分線上。九、旋光儀介紹1. 旋光儀結(jié)構(gòu)WXG-4型旋光儀如圖所示：圖2. WXG型

13、旋光儀1. 鈉光燈 2. 起偏鏡 3. 石英玻離片 4. 旋光管 5. 檢偏鏡 6. 手輪7. 游標(biāo)刻度盤 8. 焦距調(diào)節(jié)鈕 9. 目鏡2. 測量原理自鈉光燈發(fā)出的波長為28902896A的非偏正光,經(jīng)起偏鏡2后成為強(qiáng)度為E0的偏振光(圖2.13.2a所示)。起偏鏡后面的石英玻離片3是旋光物質(zhì), 其旋光度約為3º, 其寬度為起偏鏡直徑的三分之一, 放置在光路的中間, 將光路的視野分成了三部分(圖2.13.2b所示)。若、部分偏振光（電磁波）的振動方向?yàn)?º（圖中AA）,則第部分偏振光的振動方向?yàn)橛倚?º（圖中BB）。調(diào)零點(diǎn)時(shí)，若將檢偏鏡6偏振光振動化方向KK與AA

14、垂直(圖2.13.2c所示)，根據(jù)物理學(xué)中的馬呂薩定律：EE0COS2 起偏鏡振動化方向與檢偏鏡振動化方向的夾角。此時(shí)從目鏡中看進(jìn)去，視野的、部分是黑的（E=E= E0COS290º=0），而位于中間的第部分是亮的, 不過光強(qiáng)度很小(E= E0COS287º)。若將檢偏鏡偏振光振動化方向KK與BB垂直(圖2.13.2d所示), 則位于中間的第部分是黑的(E=E0COS290º=0)，而視野的、部分是亮的，同樣光強(qiáng)度很?。‥=E=E0COS293º）。旋光儀把儀器的零點(diǎn)設(shè)計(jì)在了OO軸位置上(圖2.13.2e所示)，在此位置上OO軸與AA軸的夾角1、OO軸與

15、BB軸的夾角2同為88.5º (90, 在此位置, 1=2, 光路視2)º野的三部分強(qiáng)度相等（E= E=E= E0COS288.5º）。若OO軸稍偏于AA軸，、部分變黑，第部分變亮，反之OO軸稍偏于BB軸，第部分變黑，、部分變亮，有明與暗的比較，偏于零點(diǎn)位置時(shí)容易鑒別，可使儀器的測量精度較高。河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙圖2.13.2 旋光儀測量原理示意圖放入裝有旋光物質(zhì)的旋光管后，旋光物質(zhì)把AA、BB兩個方向的偏振光同時(shí)偏轉(zhuǎn)一角度，此時(shí)光路視野必然變化。將檢偏鏡同樣旋轉(zhuǎn)，再找到光路三分視野均勻，光強(qiáng)度很小的位置，檢偏鏡從零點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到此位置的角度，可以從游標(biāo)刻度盤上讀到，此角度就是旋光物質(zhì)的旋光角。要注意的是，若將