( 六) 一、目的要求 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 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。 二、仪器与试剂 WZZ-2B 自动旋光仪,样品管,秒表,恒温槽,量筒,锥形瓶,蔗糖水溶液,盐 酸水溶液 三、实验原理 蔗糖在水中水解成葡萄糖与果糖的反应为 C12H22O11(蔗糖)+ H2O C6H12O6 (葡萄糖)+ C6H12O6(果糖) 为使水解反应加速,反应常常以 H+为催化剂。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C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 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。 1 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。 ln( t- ) = - k t +ln( t- 0- ) 从上式可见,以ln( 求得速度常数 k。 四、实验步骤 )对t作图,可得一直线,由直线斜率可 1、从烘箱中取出锥形瓶。恒温槽调至 55℃。 2、开启旋光仪,按下“光源”和“测量” 。预热 10 分钟后,洗净样品管, 然后在样品管中装人蒸馏水,测量蒸馏水的旋光度,之后清零。 3、量取蔗糖和盐酸溶液各 30 毫升至干净干燥的锥形瓶,盐酸倒入蔗糖中, 摇匀,然后迅速用此溶液洗涮样品管 3 次,再装满样品管,放入旋光仪中,开始 记时。将锥形瓶放入恒温槽中加热,待30 分钟后取出,冷却至室温。 4、记时至 2 分钟时,按动“复测” ,记录。如此,每隔 2 分钟测量一次,直至30 分钟(注意:数值为正值时使用“+复测” ,数值为负值时使用“-复测”。 ) 5、倒去样品管中的溶液,用加热过的溶液洗涮样品管 3 次,再装满样品管, 测其旋光值,共测 5 次,求平均值。 五、实验数据记录 室 时间 实验前 实验后 29.2℃ 27.5℃ 101.08Kpa 101.02Kpa 2 温大气压时 间/min. 2 4 6 8 10 12 14 16 αt/度3.565 时间3.375 3.265 3.050 2.850 2.690 2.495 2.230 /min. 18 20 22 24 26 28 30 αt/度2.045 1.890 1.665 1.025 0.845 0.600 0.175 α∞= -0.570 、-0.590 α∞的平均值为 :-0.593 六、数据处理 t α∞ αt/度Ln αt ( α∞) 2 4 、-0.590 、-0.605 、-0.610 。 6 8 10 -0.593 2.850 12 14 -0. 593 -0. 593 -0. 593 -0.593 3.565 3.375 3.265 3.050 -0. 593 -0. 593 2.690 2.495 1.42503 1.37826 1.35014 1.29281 1.23634 1.18876 1.12752 16 --0. 593 2.230 1.03780 18 20 22 24 26 28 30 -0. 593 -0. 593 -0. 593 -0. 593 -0. 593 -0. 593 -0. 593 2.045 0.97002 1.890 0.90947 1.665 0.81448 1.025 0.48119 0.845 0.36325 0.600 0.17467 0.175 -0.26396 3 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 -0.500 0 5 10 15 20 t/min 25 30 35 y = -0.1182x + 4.0087 R2 = 0.9758 y = -0.0662x + 1.4062 R2 = 0.3504 αt-t Ln(αt -α ∞) 线性 (αt-t) 线性 (Ln(αt -α∞)) 由Ln(αt -α∞)~t 直线 y = -0.0662x + 1.4062 可求得: 蔗糖的转化反应速率 K=0.0662 半衰期:t 1 2 = In 2 0.693 = =10.47min k k 七、思考题 1.实验中,为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点? 在蔗糖转化反应过程中,所测 的旋光度αt 是否需要零点校正?为什么? 答:蒸馏水无旋光性,消除旋光仪的系统误差;实验中,所测的旋光度α t 可以不校正零点,因αt-α∞ ,已将系统的零点误差消除掉。 2.蔗糖溶液为什么可粗略配制? 答:初始浓度对于数据影响不大。速率常数 K 与温度和催化剂的浓度有关,实验 测定反应速率常数 k,以ln(αt-α∞)对t作图,由所得直线的斜率求出反应速 率常数 k,与初始浓度无关 3.蔗糖的转化速度和哪些因素有关? 答:温度,催化剂得浓度、种类等。 4.溶液的旋光度与哪些因素有关? 答: 溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、 浓度、 溶剂的性质、 液层厚度、 光源波长及温度等因素有关。 4 5. 反应开始时,为什么将盐酸溶液倒入蔗糖溶液中,而不是相反? 答:因为盐酸是作为催化剂。若把蔗糖倒入盐酸当中,会导致反应液中盐酸的 浓度过大,使得蔗糖在还没检测的时候就反应完全,使实验存在很大误差。若 那盐酸倒入蔗糖溶液中,可以避免这种事情发生,最大地降低了误差的出现。 实验结果与讨论: 八、 实验结果与讨论: 本实验测得蔗糖的转化反应速率 K=0.0662 ,半衰期为 10.47min,测得的旋光 度变化趋势是从大到小,最终出现负值。证明果糖的旋光度为负值,并在数值上 大于葡萄糖的旋光度值。而最终的旋光度几乎不变,这说明反应几乎已经达到极 限。 通过该实验,了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系,同时明白旋光 仪的基本原理,掌握旋光仪的正确使用方法。 5