实验十七旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 1〓目的要求〖HT5SS〗(1)〓测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。(2)〓了解旋 光仪的基本原理,掌握旋光仪的使用方法。〖HS2〗〖HT5H〗2〓基本原理〖HT5Ss2〖WTBX〗 (1)〓蔗糖转化的反应式为5〓=C12H22011+H20→〖DD(〗 H+〖〗〓〖DD)〗C6H1206+CH1206〓〓〓〓〓(蔗糖 〓〓〓(葡萄糖)〓〓(果糖))在纯水中此反应的速度极慢,通常需要在H+催化作用 下进行,该反应为二级反应。但是由(于水是大量存在的,尽管有部分水分子参加了反应,但 仍可认为在反应过程中水的浓度是恒)定的,而H+起催化作用,其浓度也保持不变。 因此,蔗糖转化反应可看作是一级反应。一级反应的速率方程表达式如下 〓=〓===〖SX(〗dc〖〗dt〖Sx)〗=ke〖JY〗(Ⅱ14 积分可得 〓=〓〓〓〓=1nc=-kt+lnc0〖JY〗(Ⅱ142)式中:c一一反应时间为 t时的反应物浓度:〓〓c0—反应物起始浓度:〓=t—反应时间:〓=k 反应速率常数。/当c=〖SX(〗1〖〗2〖Sx)〗c0时,时间t可用t 〖SX(〗1〖〗2 〖SX)〗表示 即反应的半衰期0=〓〓〓==〓====〓t〖sx(1〖〗2〖Sx)〗 〖SX(〗1n2〖〗k〖Sx)!〗=〖SX(〗0693〖〗k〖Sx)〗〖JY〗(Ⅱ143) 由式(Ⅱ142)可以看出 lnc对t作图,为一直线,直线的斜率为反应速率常数 k。(若要直接测量不同时刻的反应物浓度,非常困难,但蔗糖及其转化产物都有旋光性,而 且旋#光能力不同,故可以利用系统在反应过程中旋光度的变化来度量反应的进程。)(2)〓 测量旋光性所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力(、溶剂 性质、溶液的浓度、样品管长度、光源及温度等均有关系。当其它条件固定时,旋光度嵊敕 从ξ锱6萩呈线性关系。即〓〓〓〓〓〓=〓〓〓〓==Kc〖JY〗(Ⅱ144)式中 K为比例系数,与旋光物质的本性有关。(蔗糖是右旋物质,而反应产物混合物中,葡萄糖 是右旋的,果糖是左旋的,但其旋光能力较(葡萄糖大,所以从总体上反应产物呈左旋性质 随着反应的进行,系统的右旋角不断减小,反应(至某一瞬间,系统的旋光度恰好等于零,而 后就变成左旋,直到蔗糖完全转化,这时左旋角达到最大值帷蕖★下枳畛醯娜芤盒舛任 〓〓则*〓〓〓〓〓〓0=K反 〓〓(蔗糖尚未分解t=0)〖JY〗(Ⅱ14 5)最后的溶液旋光度为帷蕺匕颡*〓〓〓〓〓〓帷=K产c0〓〓(蔗糖全部转化 t=∞)〖JY〗(Ⅱ146)&式中K反、K产分别表示反应物与产物之比例系数,c0 为反应物的起始浓度,%亦是生成物最后的浓度。当时间为t时,蔗糖的浓度为ct,旋光 度为醫。〓〓则/〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓醫=K反ct+K产(c0-ct) 〖JY〗(Ⅱ147)由式(145)和式(Ⅱ146)得/==〓====〓〓〓= c0=〖SX(〗0-帷蕖肌終反-K产〖Sx)〗=K′(0-帷)〖JY〗(Ⅱ148) /〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓ct=〖SX(〗醫-帷蕖肌終反-K产〖SX)〗=K′(醫 帷)〖JY〗(Ⅱ149)(可见,能以反应开始时与终了时旋光度之差代表蔗糖的起始 浓度,而以时间为t时与终了时的旋光度之差代表蔗糖在t时的浓度,代入式(Ⅱ142) 得1〓========〓1n(醫-∞)=kt+1n(帷-帷)〖JY〗(Ⅱl 1410))若以1n(醫-帷)对t作图为一直线,从直线斜率可求出反应速率常数k
实验十七 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 1〓目的要 求 〖HT5SS〗(1)〓测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。 (2)〓了解旋 光仪的基本原 理，掌握旋光仪的使用方法。 〖HS2〗〖HT5H〗2〓基本原理 〖HT5SS〗〖WTBX〗 (1)〓蔗 糖转化的反应式为 5〓〓 C 12 H 22 O 11 +H 2O→〖DD(〗 H +〖〗〓〖D D)〗C 6H 12 O 6+C 6H 12 O 6 〓〓〓〓〓(蔗糖) 〓〓〓(葡萄糖)〓〓(果 糖) )在纯水中此反应的速度极慢，通常需要在 H + 催化作用 下进行，该反应为二级反 应。但是由(于水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，但 仍可认为在反应过程中 水的浓度是恒)定的，而 H + 起催化作用，其浓度也保持不变。 因此，蔗糖转化反应可 看作是一级反应。一级反应的速率方程表达式如下： -〓〓〓〓〓〓 〓〓〓〓〓〓-〖SX( 〗dc〖〗dt〖SX)〗=kc〖JY〗(Ⅱ 14 1) 积分可得： *〓〓〓〓〓 〓〓〓〓〓〓〓 ln c=-kt+ ln c 0〖JY〗(Ⅱ 14 2) 式中：c——反应时间为 t 时的反应物浓度； 〓 〓c 0——反应物起始浓度； 〓〓t——反应时间； 〓〓k—— 反应速率常数。 /当 c= 〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗c 0 时，时间 t 可用 t 〖SX(〗1〖〗2 〖SX)〗 表示 ，即反应 的半衰期 0〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓t 〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗 =〖SX(〗 ln 2〖 〗k〖SX)!〗=〖SX(〗0 693〖〗k〖SX)〗〖JY〗(Ⅱ 14 3) + 由式(Ⅱ 14 2)可以看出 ， ln c 对 t 作图，为一直线，直线的斜率为反应速率常数 k。(若要直接测量不同时刻的 反应物浓度，非常困难，但蔗糖及其转化产物都有旋光性，而 且旋#光能力不同，故可以利 用系统在反应过程中旋光度的变化来度量反应的进程。 )(2)〓 测量旋光性所用的仪器称为 旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力(、溶剂 性质、溶液的浓度、样品 管长度、光源及温度等均有关系。当其它条件固定时，旋光度嵊敕 从ξ锱ǘ萩呈线性关系 。 即 〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓 =Kc〖JY〗(Ⅱ 14 4) 式中 K 为比例系数，与旋光 物质的本性有关。 (蔗糖是右旋物质，而反应产物混合物中，葡萄糖 是右旋的，果糖是左 旋的，但其旋光能力较(葡萄糖大，所以从总体上反应产物呈左旋性质。 随着反应的进行， 系统的右旋角不断减小，反应(至某一瞬间，系统的旋光度恰好等于零，而 后就变成左旋， 直到蔗糖完全转化，这时左旋角 达到最大值 帷蕖＊ド枳畛醯娜芤盒 舛任 。 〓〓则 *〓〓〓〓〓〓 0=K 反 c 0〓〓(蔗糖尚未分解 t=0)〖JY〗(Ⅱ 14 5) 最后的溶液旋光度为 帷蕺ピ颡 *〓〓〓 〓〓〓 帷 =K 产 c 0〓〓(蔗糖全部转化 t=∞)〖JY〗(Ⅱ 14 6) &式中 K 反、K 产 分别表示反应物与产物之比例系数，c 0 为反应物的起始浓度，%亦是生成物最后的浓度。 当时间为 t 时，蔗糖的浓度为 c t，旋光 度为 醫。 〓〓则 /〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓 〓 醫=K 反 c t+K 产(c 0-c t) 〖JY〗(Ⅱ 14 7) 由式(Ⅱ 14 5)和式(Ⅱ 14 6)得 /〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓 〓c 0=〖SX(〗 0- 帷蕖肌終 反-K 产〖SX)〗= K′( 0- 帷 )〖JY〗(Ⅱ 14 8) /〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓c t=〖SX(〗 醫- 帷蕖肌終 反-K 产〖SX)〗=K′( 醫- 帷 )〖JY〗(Ⅱ 14 9) (可见，能以反应 开始时与终了时旋光度之差代表蔗糖的起始 浓度，而以时间为 t 时与终了时的旋光度之差代 表蔗糖在 t 时的浓度，代入式(Ⅱ 14 2) 得 1〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓 ln( 醫- ∞)=-kt+ ln( 帷 - 帷 )〖JY〗(Ⅱ 14 10) )若以 ln ( 醫- 帷 )对 t 作 图为一直线，从直线斜率可求出反应速率常数 k
(对于一级反应,因速率常数与反应物起始浓度无关,反应速率常数的测定可以从任一时刻 开始。〖WTBZ〗〖HS2〗〖HT5H〗3〓仪器〓试剂〖HT5SS〗〖WB〗自动旋光仪WZZ型 〓〓〓〓〖wB〗1台〓〓〓蔗糖(分析纯)#〖DW〗水浴锅〖DW〗1个〓〓〓HCl溶液(4mol·L -1)〖DW〗普通温度计〖DW〗1支〓〓〓蒸馏水〖DW〗100m1烧杯〖DW〗2个〖DW〗 50m1量筒〖DW〗2个〖HS2〗〖H5H〗4〓实验步骤〖HT5SS〗%(1)〓了解和熟悉WZZ型旋 光仪的使用方法(见本书Ⅲ物理化学实验规范)。(2)〓反应速率常数的测定/配制浓度约 为20%(质量百分数)的蔗糖溶液25m1,如有混浊应过滤。然后将25ml蔗糖溶液与2.5m1浓度 为4mol叽-1的HCl溶液混合,并迅速以此混合液荡洗盛液管2次,然后装满(盛液管 揩去管外的溶液,将盛液管安置在旋光仪的暗室中,开始测定旋光度。以开始时刻.为t 0每隔2min读数1次,2min后每隔3min读数1次,再读7个数据即可。然后关闭电源。 测帷蓿航⑩4汗苋)觯从σ旱乖烧杯里,连同原液一起在烧杯中用水浴加热,约 30min。水浴温度不要超过50℃,冷至室温测得旋光度帷蕺*击粳S2)〖HT5H〗5〓数 据处理〖HT5SS〗(1)〓数据记录:〖HT6SS〗〖BG(!)〖BHG2,W5,K5,K10。2,K6W〗& 时间〖〗旋光度帷肌姜t-帷〗1n(醫-帷)〖〗室温〖BHG14〗50 4〖SP()……〖SP〗〗202326〖SP(……〖SP〗〗〖BG〗〗〖HT5SS〗"(2) 〓以1n(醫-帷)对t作图,画出有代表性的直线。(3)〓求出反应速率常数和半 衰期。〖HS2〗〖HT5H〗6〓注意事项〖HT5SS〗)(1)〓反应液酸度很大,一定要擦净后再 放入旋光仪暗箱内,以免腐蚀仪器。实验结束后,将盛液管洗净。+(2)〓每隔20min记1 次室温,取平均值,作为测量温度,并在不读数时,打开暗箱散热,读数前05min盖上 〖HS2〗〖HT5H〗7〓思考题〖HT5SS〗(1)〓本实验是否需要校正仪器零点?为什么?-(2) 〓在混和蔗糖和HCⅠ溶液时,总是把HCⅠ溶液加到蔗糖溶液中,而不把蔗糖溶液加入BCl溶 液中,为什么?(3)〓如果所用蔗糖不纯,对实验有什么影响?〖LM〗(〖HT4H〗〖HS3〗〖JZ〗
(对于一级反应，因速率常数与反应物起 始浓度无关，反应速率常数的测定可以从任一时刻 开 始。 〖WTBZ〗〖HS2〗〖HT5H〗3〓 仪器〓试剂 〖HT5SS〗"〖WB〗自动旋光仪 WZZ 型 〓〓〓〓〖WB〗1 台〓〓〓蔗糖(分析纯) #〖DW〗水浴锅〖DW〗1 个〓〓〓HCl 溶液(4mol·L -1 ) 〖DW〗普通温度计〖DW〗1 支 〓〓〓蒸馏水 〖DW〗100ml 烧杯〖DW〗2 个 〖DW〗 50ml 量筒〖DW〗2 个 〖HS2〗〖HT5H〗 4〓实验步骤 〖HT5SS〗%(1)〓了解和熟悉 WZZ 型旋 光仪的使用方法(见本书Ⅲ物理化学实验 规范)。 (2)〓反应速率常数的测定 /配制浓度约 为 20%(质量百分数)的蔗糖溶液 25ml，如 有混浊应过滤。然后将 25ml 蔗糖溶液与 2.5ml 浓度 为 4mol·L -1 的 HCl 溶液混合，并迅 速以此混合液荡洗盛液管 2 次，然后装满(盛液管。 揩去管外的溶液，将盛液管安置在旋光仪 的暗室中，开始测定旋光度。以开始时刻.为 t 0 每隔 2min 读数 1 次，20min 后每隔 3min 读数 1 次，再读 7 个数据即可。然后关闭电源。 )测 帷蓿航 ⒁汗苋)觯 从σ旱乖 烧杯里，连同原液一起在烧杯中用水浴加热，约 30 min。水浴温度不要超过 50℃，冷至室温 测得旋光度 帷蕺 ＊ぁ糎 S2)〖HT5H〗5〓数 据处理 〖HT5SS〗(1)〓数据记录： 〖 HT6SS〗〖BG(!)〖BHG2，WK5，K5，K10。2，K6W〗& 时间〖〗旋光度帷肌姜 t- 帷 〖〗ln ( 醫- 帷 ) 〖〗室温〖BHG14〗50 2 4 〖SP()……〖SP〗〗 20 23 26 〖SP()……〖SP〗〗〖BG〗〗 〖HT5SS〗"(2) 〓以 ln ( 醫- 帷 )对 t 作图， 画出有代表性的直线。 (3)〓求出反应速率常数和半 衰期。 〖HS2〗〖HT5H〗6〓注意事 项 〖HT5SS〗)(1)〓反应液酸度很大，一定要擦净后再 放入旋光仪暗箱内，以免腐蚀仪器 。实验结束后，将盛液管洗净。 +(2)〓每隔 20min 记 1 次室温，取平均值，作为测量温度， 并在不读数时，打开暗箱散热，读数前 0 5min 盖上。 〖HS2〗〖HT5H〗7〓思考题 〖HT5 SS〗(1)〓本实验是否需要校正仪器零点?为什么? -(2) 〓在混和蔗糖和 HCl 溶液时，总是把 HCl 溶液加到蔗糖溶液中，而不把蔗糖溶液加入 HCl 溶 液中，为什么? (3)〓如果所用蔗 糖不纯，对实验有什么影响?〖LM〗(〖HT4H〗〖HS3〗〖JZ〗