實驗十蔗糖水解反應(yīng)速度常數(shù)的測定

1、實驗十二 蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定一 實驗?zāi)康?. 測定蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)和半衰期 2. 了解旋光儀的基本原理，掌握旋光儀的使用方法二 實驗原理反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度一次方成正比的反應(yīng)稱一級反應(yīng)，其速率方程為： = （12-1）式中是反應(yīng)物時刻的濃度。是反應(yīng)速率常數(shù)。積分上式得： ln= （12-2）式中為=0時刻的反應(yīng)物濃度。一級反應(yīng)具有以下兩個特點： 以ln對作圖，可得一直線，其斜率=。 反應(yīng)物消耗一半所需的時間稱為半衰期，以1/2表示。將=1/2代入（12-2）式，得一級反應(yīng)的半衰期為 1/2 = （12-3）（12-3）式說明一級反應(yīng)的半衰期1/2只決定于反應(yīng)速率常數(shù)，而與反應(yīng)物起始

2、濃度無關(guān)。蔗糖在酸性溶液中的水解反應(yīng)為：C12H22O11（蔗糖）+H2O C6H12O6（葡萄糖）+ C6H12O6（果糖）實驗表明，該反應(yīng)的反應(yīng)速率與蔗糖、水和氫離子三者的濃度均有關(guān)。在氫離子濃度不變的條件下，反應(yīng)速率只與蔗糖濃度和水的濃度有關(guān)，但由于水是大量的，在反應(yīng)過程中的水濃度可視為不變。在這種情況下，反應(yīng)速率只與蔗糖濃度的一次方成正比，其動力學(xué)方程式符合（12-1）式，所以此反應(yīng)視為一級反應(yīng)。蔗糖及其水解產(chǎn)物是旋光性物質(zhì)。本實驗就是利用反應(yīng)體系在水解過程中是旋光性質(zhì)的變化來跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。所謂物質(zhì)的旋光性是指它們可以使一束偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)一定角度，所旋轉(zhuǎn)的角度稱旋光度。對含有旋光性

3、物質(zhì)的溶液，其旋光度的大小與旋光性物質(zhì)的本性、溶劑、入射光波長、溶液的濃度和厚度以及溫度等因素有關(guān)。為了比較不同物質(zhì)的旋光能力，引入了比旋光度這一概念，其定義式為： = （12-4）式中t為實驗溫度（），D為光源的波長（常用鈉黃光，=589nm），為旋光度，l為溶液的厚度（dm），c為濃度（每ml中所含的物質(zhì)的質(zhì)量（克）。蔗糖、葡萄糖和果糖的比旋光度分別為：蔗糖=66.65º， 葡萄糖=52.5º，果糖為=-91.9º。正值表示右旋，負(fù)值表示左旋。由于果糖的左旋性大于葡萄糖右旋性，因此隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物濃度的增加，反應(yīng)體系的旋光度將由正值經(jīng)零變?yōu)樨?fù)值，即反應(yīng)

4、體系由右旋性逐漸變?yōu)樽笮?。以下?dǎo)出（12-2）式中蔗糖的濃度 c0、c與物質(zhì)的濃度成正比。即 = (12-5) 式中=。因旋光度具有加和性，所以溶液的旋光度為各組分的旋光度之和。設(shè)反應(yīng)時刻為0、t和時，溶液旋光度分別為0、t和，則:= (12-6)= (12-7)= + (12-8)式中= (蔗糖)；= (葡萄糖)+ (果糖)。由（12-6）、（12-7）式可得：-=（-） （12-9） -=（-） （12-10）(12-9)式除以（12-10）式，得 （12-11） 將(12-11)式代入（12-2）式，得 = （12-12）改寫成:ln(-)= - + ln(-) （12-13） (12

5、-13）式可以看出以ln(-) 對作圖可得一直線，由直線的斜率=-即可求得反應(yīng)速率常數(shù)，由截距可得到。三 儀器與藥品WZZ-I型自動指示旋光儀 1臺20cm旋光管（帶有恒溫水外套） 1個恒溫槽 1個上皿天平 1臺移液管（25ml） 2個燒杯（50ml、500ml） 各1個雙叉管 1支2mol·L-1 HCI溶液蔗糖（A·R） 四 實驗步驟1. 將恒溫槽調(diào)節(jié)至20恒溫。 2. 用上皿天平稱10克蔗糖溶于蒸餾水中，到入50ml容量瓶，并稀釋到刻度（蔗糖完全溶解，若溶液渾濁需進(jìn)行過濾），用移液管取25ml蔗糖溶液和25ml的2mol·L-1 HCI溶液分別注入雙叉管的兩

6、個叉管中（注意勿使兩溶液混合），然后蓋上膠塞，將此雙叉管置于恒溫槽中恒溫。 3. 旋光儀零點的校正 打開旋光儀開關(guān)預(yù)熱（使用方法見本實驗“附錄”）。洗凈旋光管的各部件，注入蒸餾水使液體在管口形成一凸面，將玻璃片從正上方蓋下，再蓋上蓋，用螺帽旋緊，勿使漏液或有氣泡形成(若有小氣泡，將其趕到旋光管的擴(kuò)大部分)，注意旋擰螺帽時不要過分用力，以不漏為準(zhǔn)。用濾紙擦凈旋光管兩端玻璃片，然后放入旋光儀中，重復(fù)測定三次，取平均值，此時為旋光儀的零點。將旋光管的蒸餾水倒掉，擦干待用。4. 的測定待雙叉管恒溫后（不能少于10分鐘），搖動雙叉管使兩種溶液充分混合，迅速用少量混合液清洗旋光管二次，然后將此混合液注滿旋

7、光管，蓋好蓋子（檢查是否漏液和形成氣泡），擦凈旋光管兩端玻璃片，立即置于旋光儀中，記下時間，測定其旋光度。在測定第一旋光值之后的第5分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、50分鐘、75分鐘、100分鐘各測定一次。5. 的測定為了得到反應(yīng)終了時的旋光度，將步驟4中的剩余混合液保存好，置于5060的水浴中溫?zé)?0分鐘，使水解完全。然后冷卻至實驗溫度，再按上述操作，將此混合液裝入旋光管，測其旋光度，此值即可認(rèn)為是。實驗結(jié)束后應(yīng)立即將旋光管洗凈擦干，防止酸對旋光管的腐蝕和蔗糖對玻璃片、蓋套的粘合，雙叉管洗凈后放入烘箱中烘干。五 注意事項 1. 溫度對反應(yīng)速度影響較大，所以整個過程應(yīng)保持恒溫。用水浴加熱反

8、應(yīng)液測時，溫度不宜過高，以免產(chǎn)生副反應(yīng)，溶液變黃，加熱過程應(yīng)同時避免溶液蒸發(fā)使糖的濃度改變，從而影響的測定。2. 由于反應(yīng)初始階段速率較快，旋光度變化大，一定要注意時間的準(zhǔn)確性。3. 根據(jù)反應(yīng)溫度，可適當(dāng)增加HCI的濃度，以縮短反應(yīng)時間。六 數(shù)據(jù)記錄與處理 1. 將所測的實驗數(shù)據(jù)記錄于下表中 實驗溫度：_ ；HCI 濃度：_ mol·L-1 ; 零點_； _ 反應(yīng)時間/min-ln(-)2.ln(-)對t作圖，由所得直線的斜率求出k，由截距求出o。1. 計算蔗糖水解反應(yīng)的半衰期t1/2。附錄 WZZ-1型自動指示旋光儀 許多物質(zhì)具有旋光性，如蔗糖、葡萄糖、果糖的溶液等。當(dāng)平面偏振光通

9、過具有旋光性的物質(zhì)時，可使偏振光的振動面旋轉(zhuǎn)某一角度，可使偏振光的振動面向左旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為左旋物質(zhì)，向右旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為右旋物質(zhì)。圖12-1 尼科爾棱鏡起偏振原理圖一 構(gòu)造原理圖12-2 WZZ-1型旋光儀結(jié)構(gòu)示意圖1-光源；2-光柵；3-透鏡；4-起偏鏡；5-磁旋線圈；6-樣品管；7-濾色片；8-檢偏鏡；9-光電倍增管；10-前置放大；11-選頻放大；12-功率放大；13-伺服電機(jī)；14-渦輪渦桿；15-讀數(shù)氣；16-自動高壓一般光源發(fā)出的光，其光波在與光傳播方向垂直的一切可能方向上振動，這種光稱自然光，只在一個固定方向上振動的光稱為偏振光。一束自然光以一定角度進(jìn)入尼科爾（Niol）棱鏡（由兩

10、塊直角棱鏡組成）后，可分解成兩束振動面垂直的平面偏振光（見圖12-1）。由于折射率不同，兩束光經(jīng)過第一塊棱鏡而到達(dá)棱鏡與加拿大樹膠層的界面時，折射率大的一束光被全反射，并由棱鏡框子上的黑色涂層吸收。另一束光可以通過第二塊棱鏡，從而在尼科爾棱鏡的出射方向上得到一束單一的平面偏振光。這個尼科爾棱鏡稱為起偏鏡。當(dāng)一束平面偏振光照射到尼科爾棱鏡上時，若光的振偏面與棱鏡的主截面一致，即圖12-3WZZ-1型旋光儀工作原理示意圖可全透過；若兩者成垂直，光被反射。當(dāng)兩者的夾角在090°之間時，則透過棱鏡的光強(qiáng)度發(fā)生衰減，使用尼科爾棱鏡又可以測出偏振光的偏振面方向，此時的尼科爾棱鏡稱為檢偏鏡。圖12

11、-4 WZZ-1 型旋光儀面板示意圖1- 電源；2-光源；3-示數(shù)；4-復(fù)測；5-調(diào)零手輪。旋光儀就是利用起偏鏡和檢偏鏡來測定旋光度的。圖12-2是WZZ-1型自動指示旋光儀結(jié)構(gòu)示意圖。以鈉光燈作為光源，它發(fā)射波長為589.3nm的單色光。通過光柵2和物鏡3變成平行光。平行光通過起偏鏡4變?yōu)槠矫嫫窆?。其振動平面為圖12-3中的OO面。若起偏鏡與檢偏鏡8的光軸PP相互垂直（即圖中（a）所示），則無訊號傳至光電倍增管，此即光學(xué)圖12-3WZZ-1型旋光儀工作原理示意圖零點。當(dāng)偏振光通過磁旋線圈時，由于法拉第效應(yīng)，其偏振面便會產(chǎn)生角的往復(fù)擺動（如圖(b)所示），其頻率為50Hz。在光學(xué)零點可得到1

12、00Hz的光電訊號。如果在光路上放入旋光性樣品，則偏振面由OO偏轉(zhuǎn)至 OO，偏轉(zhuǎn)角為角（如圖（c）所示）。此時得到50Hz的光電訊號。因為兩光軸不再垂直，因此此訊號可傳至光電倍增管，通過放大裝置，正好使伺服電機(jī)啟動，帶動渦輪渦桿，將起偏鏡反向轉(zhuǎn)動角（如圖（d）所示），仍回到光學(xué)零點。通過讀數(shù)器顯示出來，此即樣品的旋光度。儀器中的濾色片是用來消除雜散光進(jìn)入光電倍增管。二 使用方法1. 開電源開關(guān)1（見圖12-4），經(jīng)5分鐘預(yù)熱使鈉光燈穩(wěn)定后即可工作。將蒸餾水裝入洗凈的旋光管中，旋上螺帽，用濾紙擦干兩端通光面上的水。螺帽不宜旋得過緊。旋光管中應(yīng)盡量避免有氣泡。若有氣泡，應(yīng)使其浮于凸出處，以免影響讀數(shù)，將旋光管放入樣品室中，蓋上室蓋。2. 打開示數(shù)開關(guān)。將光源開關(guān)板向直流。若此時燈滅，則將光源開關(guān)上下板動數(shù)次，使鈉光燈在直流電下工作。調(diào)節(jié)零位手輪，使讀數(shù)器上指示值為