旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验报告.doc

实验八 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 【目的要求】 1、根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速度常数，计算反应的半衰期，并根据阿伦尼乌斯公式求算蔗糖转化的活化能。2、了解旋光仪的基本原理、掌握使用方法。3 了解一级反应速率公式及动力学特点，熟悉准一级反应的速率公式。【基本原理】 蔗糖在水中水解成葡萄糖与果糖的反应为C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6蔗糖 葡萄糖 果糖为使水解反应加速，反应常常以H3O+为催化剂，故在酸性介质中进行，本实验采用2M HCl。由于在较稀的蔗糖溶液中，水是大量的，反应达终点时，虽然有部分水分子参加了反应，但与溶质（蔗糖）浓度相比可以认为它的浓度没有改变。因此，在一定的酸度下，反应速度只与蔗糖的浓度有关，所以该反应可视为一级反应（动力学中称之为准一级反应）。该反应的速度方程为：dC/dt = kC 其中为蔗糖溶液的浓度，k为蔗糖在该条件下的水解反应速度常数令蔗糖开始水解反应时的浓度，水解到某时刻时的蔗糖浓度为t，对上式进行积分得：lnC0/Ct = kt该反应的半衰期与k的关系为：t1/2 = ln2/k蔗糖、葡萄糖、果糖都是 旋光性 的物质，即都能使透过它们的偏振光的振动面旋转一定的角度，称为旋光度，以表示。其中蔗糖、葡萄糖能使偏振光的振动面按顺时针方向旋转，为右旋光性物质，旋光度为正值。而果糖能使偏振光的振动面按逆时针方向旋转，为左旋光性物质，旋光度为负值。量度旋光度的仪器为旋光仪，当温度、波长及溶剂一定时，旋光度的数值为： l Cm 或 = l C l 液层厚度，即盛装溶液的旋光管的长度，Cm ， 旋光物质的质量摩尔浓度，体积摩尔浓度 比旋光度，t为温度，为所用光源的波长。在其他条件不变的情况下，旋光度与反应物浓度成正比。即： 是与物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、溶液温度等有关的常数。可见，旋光度与物质的浓度有关，且溶液的旋光度为各组分旋光度之和。反应进程中，溶液的旋光度变化情况如下：当反应开始时，t=0，溶液只有蔗糖的右旋，旋光度为正值，随着反应的进行，蔗糖溶液减少，葡萄糖和果糖浓度增大，由于果糖的左旋能力强于葡萄糖的右旋。整体来说，溶液的旋光度随着时间而减少。当反应进行完全时，蔗糖溶液为零，溶液中只有葡萄糖和果糖，这时，溶液的旋光度为负值。可见，反应过程中物质浓度的变化可以用旋光度来代替表示。下面将反应过程中浓度变化转变为旋光度的变化。C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6蔗糖 葡萄糖 果糖t = 0 0 t = t t 0-t 0-tt = 0 0 0当t=0时，溶液中只有蔗糖，溶液的旋光度值为： 0 k蔗糖当t=时，溶液中只有葡萄和果糖，溶液的旋光度值为：（k葡k果）当t=t时，溶液中有葡萄糖和果糖，此时溶液的旋光度值为t k蔗糖t + （k葡k果）（-Ct） 得： 0k蔗糖（k葡k果）即： （0 ）k蔗糖（k葡k果） 得： t k蔗糖t + （k葡k果）（-Ct）（k葡k果）k蔗糖t + （k葡k果）（k葡k果）Ct（k葡k果）k蔗糖t（k葡k果）Ctk蔗糖（k葡k果）Ct即：Ct（ t）k蔗糖（k葡k果） 将和两式代入lnC0/Ct = k t中：ln（0 ）/（ t） = k t ln（ t） = k t ln（0 ）从上式可见，以ln（ t）对 t作图，可得一直线，由直线斜率可求得速度常数k。由于将蔗糖溶解于水中，加入l 后，还得将溶液装入旋光管中，这需要时间，因此无法测定反应开始时的0。实验过程只能测定反应终了时的和有不同时间t下的 t。但可通过作图可求得0。【仪器和试剂】 旋光仪台旋光管套记时器（秒表）块容量瓶（ml） 1个锥形瓶（ml） 个托盘天平台烧杯（ml，ml）各个移液管（ml）支2M HClipiy溶液，蔗糖（分析纯）【操作步骤】1、 恒温（不作处理）2、 旋光仪零点的校正：用蒸馏水调试旋光仪。测试三次蒸馏水的旋光度值，取其平均值。此为旋光仪的零点。3、 蔗糖水解过程中不同时间t下的t的测定 10g蔗糖50ml水溶液（50ml容量瓶），如有混浊，需过滤。 25ml蔗糖溶液 100ml锥形瓶 恒温1015 min 50ml 2mol/L HCl 100ml锥形瓶 恒温1015 min 25ml 2mol/L HCl 25ml蔗糖溶液（100ml锥形瓶）。振荡混合。取一部分安装进旋光管叶进行测量。余下部分保留好用于测定之用。注：在加入HCl一半时开始记时，作为反应的开始时间 。 测定不同时间t时的t。注意读数的方法。调整好三分视野暗度相同后，先记下时间，而后再读取旋光值。按教材要求的时间下进行测量。4、 反应终了时的的测定将上面步骤中保留的混合液于60下加热半小时，回室温后测定其旋光值，此为【数据记录和处理】1、将实验数据记录于下表：盐酸浓度：实验温度：大气压： Pa：编 号反应时间/min(t)ttln（ t）k100002345600007000080000900002、 以ln（ t）对t作图得一直线，从直线斜率可求得速度常数k；3、 由截距求得0。4、 计算蔗糖水解反应的半衰期t1/2。【思考讨论题】1、 为什么可以用蒸馏水来校正旋光仪的零点？2、 在旋光度的测量中，为什么要对零点进行校正？它对旋光度的精确测量有什么影响？在本实验中，若不进行校正对结果是否有影响？3、 为什么配制蔗糖溶液可用托盘天平称量？【注意事项】 1、 注意保护钠光灯，测到三十分钟后，每次测量间隔时应将钠光灯熄灭，下次测量前十分钟前再打开钠光灯。2、 三分视野一定要调整正确，且每次都有一样的状态。3、 实验完毕，一定要将旋光管清洗干净。4、 如有可能，实验数据可采用计算机进行处理，同手工处理相比较。推荐使用origin5.0或是origin6.0，【偏振光与旋光性】 一、平面偏振光和物质的旋光性(一)偏振光和偏振光的振动面光波是电磁波，是横波。其特点之一是光的振动方向垂直于其传播方向。普通光源所产生的光线是由多种波长的光波组成，它们都在垂直于其传播方向的各个不同的平面上振动。图1(左)表示普通的单色光束直射时的横截面。光波的振动平面可以有无数，但都与其前进方向相垂直。图平面偏振光的形成当一束单色光通过尼科目棱晶(由方解石晶体加工制成，图中)时，由于尼科耳棱晶只能使与其晶轴相平行的平面内振动的光线通过，因而通过尼科耳棱晶的光线，就只在一个平面上振动。这种光线叫做平面偏振光，简称偏振光(图1右)。偏振光的振动方向与其传播方向所构成的平面，叫做偏振光的振动面。图2两个尼科耳棱晶平行放置(上)或重直放置(下)时的情况当普通光线通过尼科耳棱晶成为偏振光后，再使偏振光通过另一个尼科耳棱晶时，则在第二个尼科耳棱晶后面可以观察到如下现象：如果两个尼科耳棱晶平行放置(晶体相互平行)时，光线的亮度最大(图2上)；如两个棱晶成其他角度时，则光线的亮度发生不同程度的减弱，接近90时较暗，接近0时较明亮。(二)旋光性物质和物质的旋光性自然界中有许多物质对偏振光的振动面不发生影响，例如水、乙醇、丙酮、甘油及氯化钠等；还有另外一些物质却能使偏振光的振动面发生偏转，如某种乳酸及葡萄糖的溶液。能使偏振光的振动面发生偏转的物质具旋光性，叫做旋光性物质；不能使偏振光的振动面发生偏转的物质叫做非旋光性物质，它们没有旋光性。当偏振光通过旋光性物质的溶液时，可以观察到有些物质能使偏振光的振动面向左旋转(逆时针方向)一定的角度(图3)，这种物质叫做左旋体，具有左旋性，以-表示；另一些物质则使偏振光的振动面向右旋转(顺时针方向)一定的角度，叫做右旋体，它们具有右旋性，以+表示。以前也曾用l、d表示左右旋。图左旋体使偏振光的振动面向左旋转(三)旋光度和比旋光度如将两个尼科耳棱晶平行放置，并在两个棱晶之间放一种溶液(图4)，在第一个棱晶(起偏振器)前放置单色可见光源，并在第二个棱晶(检偏振器)后进行观察。可以发现，如在管中放置水、乙醇或丙醇时，并不影响光的亮度。但如果把葡萄糖或某种乳酸的溶液放于管内，则光的亮度就减弱以至变暗。这是由于水、乙醇 等是非旋光性物质，不影响偏振光的振动面；而葡萄糖等是旋光性物质，它们能使偏振光的振动面向右或左偏转一定的角度。要达到最大的亮度，必须把检测振器向右或向左转动同一角度。旋光性物质的溶液使偏振光的振动面旋转的角度，叫做旋光度，以表示。图旋光性测定示意图一种物质的旋光性，主要决定于该物质的分子