蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，1/4 蔗糖水解反应速率常数的测定 一，实验目的 1.用旋光法测定蔗糖水解反应的速率常数，掌握测定反应速率常数的基本方法，了解古根亥姆 动力学数据处理方法的原理： 2.了解和草握旋光仪的原理和使用方法。 二.实验原理 在酸性介质中蔗糖水解反应为： CeH2O+H,Or→C.HiO。+C6H.O。 蓝糖（右旋） 简萄糖（右旋）果舫（左旋） d 反应速率方程F-市0G:”z01=K,cCa0ceeA 已有文献报道=6，故反应较复杂。K2为反应速率常数，它与反应物和生成物的浓度无关，与温 度、催化剂(H)的种类和量有关。 从反应的计量关系知蔗糖和水是等摩尔反应，蔗糖的摩尔质量(324.18gm)远大于水的摩尔质量 (18.02gm),故在浓度不大的情况下（质量百分数30%以下），蔗糖水解所消耗的水量是很小 的，可认为CH0基本保持不变，上式可简化为： di c0n=Kiccall 积分得（下文c专指糖浓度，下标为时间） 或lnc,=-k1+lnc 以C,对t作图得直线，斜率得负数即反应速率常数k。从上式知k,值与反应起始时刻无关，故 实验测定时得起始时刻可自定。 由于蔗糖及其水解产物有旋光性，它们得旋光能力各不相同，又因体系得旋光度有加和性，据 此可用旋光仪测定体系旋光度随时间得变化来测定速率常数。 影响物质旋光能力得因素很多，为比较各物质得旋光能力可引入比旋光度的概念： [a。=gx100 式中，t为温度，D表示光源波长为钠光谱的D线(589.3m),a为测得的旋光度，1为光程长度（单 位为dm),c为浓度(100ml溶液所含溶质的克数)，由此可得： a=lalle 100 可知当其它条件不变时旋光度与溶液浓度成正比，即 a=Kwc 蔗糖、葡萄糖和果糖的比旋光度分别为66.6°、52.5°、一91.9°，正角表示右旋，负角表示左 i \whsy\whsy10.htm 2008-4-22
蔗糖水解反应速率常数的测定 一．实验目的 1．用旋光法测定蔗糖水解反应的速率常数，掌握测定反应速率常数的基本方法，了解古根亥姆 动力学数据处理方法的原理； 2．了解和掌握旋光仪的原理和使用方法。 二．实验原理 在酸性介质中蔗糖水解反应为： 蔗糖（右旋） 葡萄糖（右旋） 果糖（左旋） 反应速率方程 r=－ 已有文献报道n=6，故反应较复杂。K2为反应速率常数，它与反应物和生成物的浓度无关，与温 度、催化剂（H+）的种类和量有关。 从反应的计量关系知蔗糖和水是等摩尔反应，蔗糖的摩尔质量（324.18g/mol）远大于水的摩尔质量 （18.02g/mol），故在浓度不大的情况下（质量百分数30％以下），蔗糖水解所消耗的水量是很小 的，可认为 基本保持不变，上式可简化为： r=－ 积分得（下文c专指蔗糖浓度，下标为时间） ln 或 ln 以lnct 对t作图得直线，斜率得负数即反应速率常数k1。从上式知k1值与反应起始时刻无关，故 实验测定时得起始时刻可自定。 由于蔗糖及其水解产物有旋光性，它们得旋光能力各不相同，又因体系得旋光度有加和性，据 此可用旋光仪测定体系旋光度随时间得变化来测定速率常数。 影响物质旋光能力得因素很多，为比较各物质得旋光能力可引入比旋光度的概念： 式中，t为温度，D表示光源波长为钠光谱的D线（589.3nm），α为测得的旋光度，l为光程长度（单 位为dm），c为浓度（100ml溶液所含溶质的克数），由此可得： 可知当其它条件不变时旋光度与溶液浓度成正比，即 蔗糖、葡萄糖和果糖的比旋光度分别为66.6°、52.5°、－91.9°，正角表示右旋，负角表示左 C12H22O11 H2O C6H12O6 C6H12O6 H + ⎯⎯→ + + 2 12 22 11 12 22 11 2 C H O n H O cC H O K c c dt d = • H O c 2 12 22 11 12 22 11 1 C H O cC H O K c dt d = k t c ct 1 0 = − 1 0 c k t ln c t = − + [ ] = ×100 lc t D α α [ ] 100 lc t α D α = α = K旋c 蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，1/4 file://E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22
蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，2/4 旋。随着蔗糖的水解，体系的旋光度逐渐由右旋减小到零继而变成左旋。为方便起见，下面推 导中浓度以摩尔浓度表示（不影响结果）。 初始旋光度和反应终了时的旋光度为： a=K厦C0 a=KaCo 式中，K反与K生表示反应物和生成物的旋光比例常数：©，为反应物初始浓度，数值上等于生成物 的最后浓度。设时刻t时蔗糖浓度为c则生成物浓度为co一c此时溶液旋光度为，根据旋光度 的加和性，得到： a,=Kg十K生(co-c,) 由此可得： 6-0 a.-a c,= K反一K生 代入积分式得：ln(a,-a.)=-Kl+ln(a。-a) ln(a,一a.)对作图得直线，直线斜率得负数即反应速率常数。此法要测a,因a很难测准，为 避免测：。可用古根亥姆法得到满意的结果： In(a,-a)=-K t+c 式中，△t是一个合适得恒定时间间隔，最好选用实验时间的一半，例如本实验反应时间确定为h △t可取30min左右。古根亥姆法的推导见六、。 三.仪器与试剂 旋光仪一台：秒表1块：25ml移液管2支：150ml烧杯2个：500ml烧杯1个：蔗糖（二级品）：盐 酸（二级品）。 四.实验步骤 1.熟悉和练习旋光仪的使用方法 (1)调节目镜焦距 打开钠光灯，光线射进起偏器得到偏振光，经旋光管和检偏器到达目镜。几分钟后亮度稳定。 调节他距使视线洁晰， (2)零点校正 洗净旋光管，灌满纯水。在旋光管口加上专用玻璃片和橡皮垫圈，拧紧螺帽。如果旋光管内存 有气泡，应将气泡驱至旋光管的突出处，否则视场模糊不清。调节检偏器旋钮（与刻度盘同轴联 接)使三分视场消失，此时刻度盘读数应为零，否则要记下零点值，以后测得的旋光度都要减去此 零点值。因本实验处理数据时都是二旋光度之差值，在二旋光度相减时，把零点值减去了，所以不 需零点校正。 file://E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22
旋。随着蔗糖的水解，体系的旋光度逐渐由右旋减小到零继而变成左旋。为方便起见，下面推 导中浓度以摩尔浓度表示（不影响结果）。 初始旋光度和反应终了时的旋光度为： 式中， 与 表示反应物和生成物的旋光比例常数；c0为反应物初始浓度，数值上等于生成物 的最后浓度。设时刻 t时蔗糖浓度为ct ，则生成物浓度为c0－ct ，此时溶液旋光度为αt ，根据旋光度 的加和性，得到： 由此可得： 代入积分式得： 对t作图得直线，直线斜率得负数即反应速率常数。此法要测 ，因 很难测准，为 避免测 可用古根亥姆法得到满意的结果： 式中，△t是一个合适得恒定时间间隔，最好选用实验时间的一半，例如本实验反应时间确定为1h， △t可取30min左右。古根亥姆法的推导见六、。 三．仪器与试剂 旋光仪一台；秒表1块；25ml移液管2支；150ml烧杯2个；500ml烧杯1个；蔗糖（二级品）；盐 酸（二级品）。 四．实验步骤 1．熟悉和练习旋光仪的使用方法 （1）调节目镜焦距 打开钠光灯，光线射进起偏器得到偏振光，经旋光管和检偏器到达目镜。几分钟后亮度稳定。 调节焦距使视线清晰。 （2）零点校正 洗净旋光管，灌满纯水。在旋光管口加上专用玻璃片和橡皮垫圈，拧紧螺帽。如果旋光管内存 有气泡，应将气泡驱至旋光管的突出处，否则视场模糊不清。调节检偏器旋钮（与刻度盘同轴联 接）使三分视场消失，此时刻度盘读数应为零，否则要记下零点值，以后测得的旋光度都要减去此 零点值。因本实验处理数据时都是二旋光度之差值，在二旋光度相减时，把零点值减去了，所以不 需零点校正。 0 0 α = K反c 0 = K生c α ∞ K反 K生 α t = K反＋K生（c0 − ct ） K反－K生 c − ∞ = α 0 α 0 K反－K生 c t t − ∞ = α α ln( ) ln( ) α −α ∞ = − 1 + α 0 −α ∞ K t t ln( ) α t −α ∞ α ∞ α ∞ α ∞ K t c ln(α t −α t+∆t ) = − 1 + 蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，2/4 file://E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22
蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，3/4 (3)旋光度测定 倒出旋光管中的纯水，用待测液体洗涤旋光管数次，灌满待测液。同(2)法调节至三分视场消 失，读数。本实验中体系的旋光度随时间变化，要在规定的时刻测定旋光度，需在此时刻前恰好调 至三分视场消失。 3.反应速率的测定 用移液管吸取25ml20%的蔗糖溶液移入150ml的烧杯中，另吸取25ml3mol/LHC1移入另一150ml 烧杯。将HCI溶液倒入蔗糖溶液，搅拌混合后倒回盛HCI溶液的烧杯，如此反复几次，二溶液己混合 均匀。用此混合液洗涤旋光管数次，然后灌满旋光管测定旋光度a'同时启动秒表计时，每隔4mn 读一次数a,、 .至60min测定完毕。 经水套。如果自来水温度较稳定，也可用自来水恒温。 五.数据处理 1,取△t=32min.计算列表： t ln(a,-a+32) 2.以ln(a,-a42)对t作图，求直线斜率进而算出K1· 在本实验条件下，K,值要求10一2min2数量级，图象线性相关系数0.98以上. 六.古根亥姆(Guggenheim)动力学数据处理公式的推导 将式 In(a,-a)=-K t+In(ao-a.) 写成指数形式，对于任意时刻， ,-a。=(a-an)e 对于t+△t as-a=(ao-a )e-ki) 由此可得 a,-a =(ao-a )e-ky-eki=(ao-a )e-kv(1-e-ki) 取对数 In(a,-a)=-Kt+Inao-a )(1-e-k) 因，和a。与t无关，△t是恒定的温度间隔，所以上式的第二项为常数，可简化为： In(a,-a+)=-K!+c 七.思考题 1.实验中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，蔗糖转化反应过程所测的旋光度是否需要多点 校正？为什么？ 2.混合旅糖和盐酸溶液时，我们将盐酸加到旅糖溶液里去，可否把糖溶液加到盐酸中去？为 什么 i //E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22
（3）旋光度测定 倒出旋光管中的纯水，用待测液体洗涤旋光管数次，灌满待测液。同（2）法调节至三分视场消 失，读数。本实验中体系的旋光度随时间变化，要在规定的时刻测定旋光度，需在此时刻前恰好调 至三分视场消失。 3．反应速率的测定 用移液管吸取25ml20%的蔗糖溶液移入150ml的烧杯中，另吸取25ml3mol/LHCl移入另一150ml 烧杯。将HCl溶液倒入蔗糖溶液，搅拌混合后倒回盛HCl溶液的烧杯，如此反复几次，二溶液已混合 均匀。用此混合液洗涤旋光管数次，然后灌满旋光管测定旋光度α0，同时启动秒表计时，每隔4min 读一次数α4、α8、α12、……至60min测定完毕。 如果反应恒温进行，结果更准确。可在旋光管外加一恒温水套，由超级恒温水浴泵出恒温水流 经水套。如果自来水温度较稳定，也可用自来水恒温。 五．数据处理 1．取△t＝32min，计算列表： 2．以 对t作图，求直线斜率进而算出K1。 在本实验条件下，K1值要求10－2min-2数量级，图象线性相关系数0.98以上。 六．古根亥姆（Guggenheim）动力学数据处理公式的推导 将式 写成指数形式，对于任意时刻t， 对于t+△t 由此可得 取对数 因α0和α∞与t无关，△t是恒定的温度间隔，所以上式的第二项为常数，可简化为： 七．思考题 1.实验中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，蔗糖转化反应过程所测的旋光度是否需要零点 校正？为什么？ 2.混合蔗糖和盐酸溶液时，我们将盐酸加到蔗糖溶液里去，可否把蔗糖溶液加到盐酸中去？为 什么？ t ln( ) α t −α t+32 ln( ) α t −α t+32 ln( ) ln( ) α −α ∞ = − 1 + α 0 −α ∞ K t t K t t e 1 ( ) 0 − α −α ∞ = α −α ∞ ( ) 0 1 ( ) K t t t t e − +∆ α +∆ −α ∞ = α −α ∞ ( )[ ] ( ) (1 ) 1 1 1 1 0 ( ) 0 K t K t t K t K t t t t e e e e − − ∆ ∞ − − +∆ α −α +∆ = α −α ∞ − = α −α − ln( ) ln[( )(1 )] 1 1 0 K t t t t K t e − ∆ α −α +∆ = − + α −α ∞ − K t c ln(α t −α t+∆t ) = − 1 + 蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，3/4 file://E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22
蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，4/4 3.旋光管的凸出部分有何用途？ 参考文献 [1]F.Daniels et al Experimental Physical Chemistry,hed McGraw-Hill Book Company,New York(1 [2]印永嘉、李大珍，《物理化学简明教程》，下册，第四版，人民教育出版社(1980)。 [3]H.W.Salzberg et al.,Physical Chemistry Laboratory,Macmillan Publishing Co.,Inc.New York (1978)。 file://E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22
3.旋光管的凸出部分有何用途？ 参考文献 ［1］F. Daniels et al., Experimental Physical Chemistry, 7th ed., McGraw-Hill Book Company, New York(1975). ［2］印永嘉、李大珍，《物理化学简明教程》，下册，第四版，人民教育出版社（1980）。 ［3］H. W. Salzberg et al., Physical Chemistry Laboratory, Macmillan Publishing Co., Inc. New York (1978)。 蔗糖水解反应速率常数的测定 页码，4/4 file://E:\whsy\whsy10.htm 2008-4-22