Transcript 蔗糖水解常数的测定

蔗糖水解反应速度常数的测定
一、实验目的
二、实验原理
三、药品仪器
四、实验步骤
五、实验记录
六、数据处理
七、结果分析与讨论
八、注意事项
九、思考题
实验目的
1.测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期；
2.了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系；
3.了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用
方法。
实验原理
蔗糖是从甘蔗内提取的一种纯有机化合物，
也是和生活关系最密切的一个天然碳水化合物，
它是由D-(-)-果糖和D-(+)-葡萄糖通过半缩酮和半
缩醛的羟基相结合而生成的。
蔗糖经酸性水解后，产生一分子D-葡萄糖和
一分子D-果糖：
H
C12 H 22O11  H 2O  C6 H12O6  C6 H12O6
蔗糖
葡萄糖
果糖
该反应是一个二级反应，在纯水
中此反应的速率极慢，通常需要在H+
离子催化作用下进行。
由于反应时水是大量存在的，尽
管有部分参与了反应，仍可近似地认
为整个反应过程中水的浓度是恒定的；
而且H+是催化剂，其浓度也保持不变。
因此蔗糖反应可看作为假一级反应。
一级反应的速率方程为：
dC

 KC
dt
式中：c 为时间t时的反应物浓度
K为反应速率常数
积分可得： ln C   Kt  ln C0
或
㏑
=K t
式中：C0为反应开始时反应物浓度。
（1）
因为蔗糖及其转化产物都具有旋
光性，而且它们的旋光能力不同，故
可以利用体系在反应进程中旋光度变
化来度量反应进程。
本实验通过测定反应液的旋光度
来求得蔗糖水解反应的速率常数k和
半衰期t1/2。
α=βC
式中：比例常数β与物质旋光能力、溶剂性
质、样品管长度及温度等有关。
物质的旋光能力用比旋光度来度量，
比旋光度用下式表示：
[ ] 
20
D
 100
l  CA
0
[ ]20
右上角的
20
表示实验时温度为
20
C,
D
D是指用钠灯光源D线的波长(即589nm),
为测得的旋光度, l为样品管长度(dm),
C A为浓度( g / 100ml ).
反应物蔗糖是右旋性物质，其比旋光
度[α]D20=66.6o；生成物中葡萄糖也是右旋性
物质，其比旋光度[α]D20=52.5o；但果糖是左
旋性物质，其比旋光度[α]D20=-91.9o。
由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖
右旋性大，所以生成物呈左旋性质。因此
随着反应的进行，体系的右旋角不断减少，
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，直至蔗糖完全水
解，这时左旋角达到最大值α∞。
设体系最初的旋光度为：  0  反C0
（2）
（t=0，蔗糖尚未转化）
体系最终的旋光度为：     生C0
（3）
（t=∞，蔗糖已完全转化）
当时间为t时，蔗糖浓度为C，此时
旋光度为αt，即：
 t  反C  生 (C0  C )
（4）
α0- α∞=(β反-β生)C0
(5)
αt- α∞=(β反-β生)C
(6)
(5)式除以(6)式，得：
(7)
将 (7) 式代入(1)式即得：
ln(  t    )   Kt  ln(  0    )
显然，以ln(αt-α∞)对t作图可得一直
线，从直线斜率即可求得反应速率常数
K。
若知道不同温度下的速率常数，则
可求出反应的活化能Ea值：
RT1T2 K 2
Ea 
ln
T2  T1 K1
药品仪器
1. 旋光仪；
2. 超级恒温器；
3.电热恒温水浴锅；
4. 移液管、锥形瓶、容量瓶等；
5. 蔗糖(10％)、HCl(2mol/L)等。
实验步骤
开启恒温器
旋光仪开关
调节温度
仪器调零
蔗糖盐酸
恒温15分
水解过程的
旋光度测定
完全水解的
旋光度测定
关闭旋光仪
整理实验台
温度设定及旋光仪零点校正
• 温度设定：调节恒温器的接点温度计，
至25℃（以玻璃温度计为准）
• 旋光仪零点校正：用蒸馏水清洗样品管
后，向管内倒满蒸馏水（不产生气泡），
用滤纸吸干管外壁的水，将样品管放入
旋光仪中，调整旋光度的刻度值为零或
其零刻度附近。
• 用移液管吸取25ml10％蔗糖溶液加入到5
0ml的磨口三角瓶中。
• 用移液管吸取25ml2mol/L盐酸加入到50
ml的磨口三角瓶中。
• 把两个三角瓶同时放入超级恒温器中，
恒温15分钟。
• 待蔗糖与盐酸溶液恒温15分钟后取出，
把盐酸溶液倒入到蔗糖溶液中，加入一
半时开始计时，全部加入后摇匀；
• 混合后的溶液，倒入旋光管中（不产生
气泡），用滤纸吸干管外壁的溶液，将
旋光管放入旋光仪中，每5分钟测一次
旋光度的值，20分钟后，每10分钟测一
次，在40分钟、55分钟、75分钟、100
分钟各测一次旋光度的值，实验结束。
• 把剩余的水解反应液，放在电热恒
温水浴锅中，在60℃条件下恒温30
分钟，然后移到超级恒温器中恒温1
5分钟。
• 测定完全水解的旋光度的值即α∞。
实验数据记录
实验日期： ；
超级恒温器温度： ℃；旋光仪零点： 。
αt的测定：
时间(min)
旋光度αt
最终旋光度α∞=
。
数据处理
1.计算αt-α∞和ln(αt-α∞)；
2.作ln(αt-α∞)~t关系图；
3.计算直线斜率k，反应速率常数K；
4.求出半衰期t1/2。
计算αt-α∞和ln(αt-α∞)的结果
时间(min)
αt-α∞
ln(αt-α∞)
ln(αt-α∞)
A
ln(αtα ∞ )1
B
ln(αt-α∞)2
0
t1
t(min)
t2
直线斜率：
ln(  t    )1  ln(  t    ) 2
k
t1  t 2
反应速率常数：
K  k
半衰期：
t1
2
ln 2

K
实验结果与讨论
⑴结果：实测值为Ｋ=
⑵计算实验偏差：
⑶分析产生偏差的原因：
⑷有何建议与想法？
注意事项：
1.装上溶液后的样品管内不能有气泡产生，样
品管要密封好，不要发生漏液现象；
2.样品管洗涤及装液时要保管好玻璃片和橡皮
垫圈，防止摔碎或丢失；
3.配制蔗糖溶液时要注意使蔗糖固体全部溶解，
并充分混均溶液；
4.测定α∞时，要注意被测样品在50~60℃条件
恒温50min后(但不能超过60℃，否则有副反
应发生)，移到超级恒温器中再恒温20min；
5.必须对旋光仪调零校正，若调不到零，需要
进行数据校正。
思考题
1.在混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，是将盐酸溶
液加到蔗糖溶液中，可否将蔗糖溶液加到盐酸
溶液中？为什么？
2.若不用蒸馏水校正旋光仪的零点，是否会影响
实验结果的准确度？
3.如何从实验结果，分析说明蔗糖水解反应为一
级反应？影响反应速率常数的因素有哪些？
4.测定α∞时，蔗糖水解反应液恒温的温度不能
超过60℃。为什么？
重点难点
• 重点：掌握旋光仪的使用方法；
蔗糖水解反应用旋光度表示动
力学方程推导。
• 难点：旋光仪的构造及原理。
文献值：
温度和盐酸浓度对蔗糖水解速率常数K的影响
K×103/min-1
K×103/min-1
K×103/min-1
25 ℃(298.15K)
30 ℃(308.15K)
35 ℃(318.15K)
0.0502
0.4169
1.738
6.213
0.2512
2.255
9.355
35.86
0.4137
4.043
17.00
60.62
0.9000
11.16
46.76
148.8
1.214
17.455
75.97
HCl/mol·L-1
注：蔗糖溶液的浓度均为10%
活化能Ea=108kJ/mol