旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

实验原理：

蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为：C12H22O11(蔗糖）+H2O→C6H12O6（葡萄糖)+C6H12O6(果糖）；它是一个二级反应，在纯水中此反应的速度极慢，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，尽管有部分水分子参加了反应，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。因此蔗糖转化反应可以看作是一级反应。

一级反应的速率方程可由表示为：

?dc?kcdt，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:lnc?lnc0?kt,c0为反应开始时反应物的浓度。由此式中不难看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，并以lnc对t作图，可得一直线，由直线斜率即可得反应速率常数K。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度是困难的。但蔗糖及其转化物，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的变化来度量反应的进

1ln20.693?k。程。其中当c=2c0时，时间t可以用t1/2表示，即为反应半衰期：t1/2=k

测量物质反应的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度和溶液中所含物质的旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度及温度均有关系。当其它条件固定时，旋光度α与反应物浓度c呈线性关系，即α=βc,此式中比例常数β与物质旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、样品管长度、温度等有关。物质的旋光能力用比旋光度来度量，比旋光度可表示为：

[α]20D=α·100/l·cA

式中[α]20D右上角的“20”是指实验时温度为20℃。D是旋光仪用钠灯光源D线的波长（即589nm），α为测得的旋光度（°），l为样品管长度（dm），cA为浓度（g/mL）。

作为反应物的蔗糖是右旋物质，其比旋光度[α]20D=66.6°；生成物中葡萄糖也是右旋物质，其比旋光度[α]20D=52.5°；果糖则是左旋物质，其比旋光度[α]20D=-91.9°.由于生成物呈现左旋物质，因此随着反应的进行，体系的右旋角不断减小，反应至某一瞬间，体系的旋光度可恰巧为零，而后就变成左旋，直至

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旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

蔗糖完全转化，这时左旋角达到最大值α

∞

。

设体系最初的旋光度为：α0=β反c （c=0，蔗糖尚未完全转化）；体系最终的旋光度为：α

∞

=β生c (t=∞，蔗糖已完全转化)，其中β反和β生分别为反应

物和生成物的比例常数。

当时间t时，蔗糖浓度为c，此时的旋光度为αt，即αt=β反c+β生（c0-c），经过推导整理，最终可得到：

㏑（αt-α

∞

）=-kt+㏑（α0-α

∞

∞

）

显然，以㏑（αt-α速率常数k。 二、仪器和试剂

）对t作图可得一条直线，从直线的斜率即可求得反应

仪器：旋光仪、恒温箱、恒温槽、容量瓶（50mL）、烧杯（250mL）、具塞大试管（50mL）移液管（25mL，50mL）

试剂：蔗糖（AR）、HCl溶液（4.00mol/L）、葡萄糖（AR） 三、实验操作

将恒温水浴锅调节到所需反应温度。洗净并干燥所需实验用品。在实验测定前，要先对旋光仪进行零点校正，并开启使之预热。

取一250mL烧杯，称取20g蔗糖加入，再加入100mL蒸馏水，使蔗糖完全溶解后，摇匀，若溶液浑浊，则需要再过滤。用移液管移取25mL，注入预先清洁干燥的50mL试管内并加盖；同法，用另一支移液管吸取25mL 4.00mol/L HCl溶液，置于另一支50mL试管内并加盖。

将这两支试管一起置于恒温水浴中恒温10min以上，然后将两支试管取出，擦干管外壁的水珠，将HCl溶液倒入蔗糖溶液中，同时记下反应开始的时间，迅速进行混合，使之混匀后，立即用少量反应液荡洗旋光管两次，然后将反应液装满旋光管，旋上套管，放进已预热的旋光仪内，测量各个时间点的旋光度。

实验时，要求在反应开始后2～3min内测定第一个数据。在以后的15min内，每间隔一分钟测量一次。随后由于反应物浓度降低而使反应速率变慢，此时可将每次测量的时间间隔适当放宽，一直测到反应时间为50min为止。在此期间，将剩余的另一半反应液置于50～60℃的水浴内温热待用。

将已在水浴内温热40min的反应液取出，冷至实验温度下测定其旋光度。在

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旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

10～15min内，读取5～7个数据，如在测量误差范围内，则取其平均值，即α的值。

四、实验数据记录与处理

1.不同时间点的旋光度记录于下表：

实验温度：16.9℃ 实验压强：95.24 KPa α∞ =-4.5° 时间t/min 2.42 3.17 3.75 44.55 αt/° 8.50 8.40 8.00 7.90 时间t/min 9.35 10.00 10.90 11.80 αt/° 6.05 5.80 5.40 4.75 时间t/min 16.73 17.78 20.02 21.48 αt/° 3.20 3.05 2.60 2.25 时间t/min 32.03 34.67 37.55 40.67 αt/° 1.70 1.55 1.45 1.21 2.根据表中数据，绘制出αt –t曲线如下： 5.43 7.20 12.72 4.35 23.78 2.00 44.13 1.10 6.42 7.00 13.65 3.95 25.78 2.00 47.53 1.00 7.48 6.40 14.82 3.60 27.95 1.90 49.53 1.00 ∞

8.45 6.20 15.82 3.40 30.45 1.75 旋光度-时间变化曲线98765432100102030时间t/min405060旋光度/度

3.在αt –t曲线上10～40min的区间内，等间隔取8个（αt –t）数组，并通过计算，以㏑（αt –ααt/° αt –α∞/° ㏑（αt –α∞） 时间t/min 4.75 9.25 2.22 11.80 ∞

）对t作图: 3.95 8.45 2.13 13.65 3.4 7.9 2.07 15.82 3.05 7.55 2.02 17.78 2.6 7.1 1.96 20.02 2.25 6.75 1.91 21.48 2 6.5 1.87 23.78 2 6.5 1.87 25.78 根据上表中㏑（αt –α

∞

）和时间t的值，可绘制出曲线如下：

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旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

2.252.2旋光度差的对数值对数值2.152.12.0521.951.91.85101520时间t/min2530y = -0.0255x + 2.4855

由上图曲线线性公式可得，反应速率常数为其斜率的相反数，即k=0.0255。 五、结果讨论与分析

通过实验，测得蔗糖转化反应的速率常数为0.0255。蔗糖转化反应是一个准一级反应，因此此实验是按照一级反应的速率方程求得该反应的速率常数。

实验中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，而我们实验时是用蒸馏水来配制的蔗糖溶液，因此蔗糖反应过程中所测得的旋光度αt没有必要再进行零点的校正。配制蔗糖溶液时，若称量不够准确，对实验结果没有影响，因为反应的速率常数大小与反应物浓度无关。

在实验过程中，要切记在混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，只能将盐酸倒到蔗糖溶液中，而不可将蔗糖溶液加到盐酸中，因为盐酸溶液作为反应的催化剂，对反应速率常数的大小有很大影响。若将蔗糖加到盐酸中，开始时蔗糖少盐酸多的情况下，蔗糖则会被较快速地分解，从而影响反应速率常数。

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