旋光度法测定蔗糖水解反应的速率常数

实验96　旋光度法测定蔗糖水解反应的速率常数

实验目的

根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速率常数；了解旋光仪的基本原理、掌握其使用方法。

实验原理

蔗糖水溶液在H＋催化下水解成葡萄糖与果糖的反应为：

水解反应中，水是大量的，反应达终点时，虽有部分水分子参加反应，但与溶质浓度相比可认为它的浓度没有改变，故上述反应中未列入水的浓度；作为催化剂的H＋浓度也不变，因此水解反应的速率只与蔗糖的浓度有关。实验表明此反应为一级反应，其动力学方程为

或

式中：c₀为反应开始时蔗糖的浓度；c为时间t时蔗糖的浓度。只要以lgc对t作图得到的为直线，就可以证明该反应为一级反应，并可以求出k。问题是如何得知c值。

当其他条件不变时，旋光度α与反应物浓度成正比，即

式中：A是与物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、反应温度等有关系的常数。

当反应时间为0、t、∞时，溶液的旋光度分别为α₀、α_t、α_∞。根据溶液的旋光度为各组成旋光度之和（加和性），可导出：

将式（4）减式（6）并整理得

将式（5）减式（6）并整理得

将式（7）、式（8）代入式（2）中可得

将上式改写成

由式（10）可以看出，如果以lg（α_t－α_∞）对t作图可得一直线，由直线的斜率即可求得反应速率常数k。本实验就是用旋光仪测定α_t、α_∞值，通过作图由截距可得到α₀。

实验用品

仪器　旋光仪；旋光管；停表；恒温槽；天平；容量瓶；移液管；锥形瓶等。

试剂　HCl（2mol·L^－1）；蔗糖（分析纯）等。

实验步骤

（1）将恒温槽调节到20℃，恒温，然后将旋光管的外套接上恒温水。

（2）蔗糖水解过程中α_t的测定。称取10g蔗糖，溶于蒸馏水中，用50mL容量瓶配制成溶液。如溶液混浊需进行过滤，用移液管取25mL蔗糖溶液和25mL 2mol·L^－1 HCl溶液，分别注入两个100mL干燥的锥形瓶中。将25mL 2mol· L^－1 HCl溶液加到盛有蔗糖溶液的锥形瓶中，混合，并在HCl溶液加入一半时开动停表，作为反应的开始时间。不断振荡、摇动，迅速取少量混合液清洗旋光管两次，然后以此混合液注满旋光管，盖好玻璃片，旋紧套盖（检查是否漏液，有气泡），擦净旋光管两端玻璃片，立刻置于旋光仪中，盖上槽盖，盖上黑布。测量各时间t时溶液的旋光度α_t。测定要迅速、准确。当将三分视野暗度调节相同后，先记下时间，再读取旋光度数值。可在测定第一个旋光度数值之后的5min、10min、15min、20min、30min、50min、75min、90min各测一次旋光度。

（3）α_∞的测定。为了得到反应终了时的旋光度α_∞，将上一步的混合液保留好，48h后重新恒温观测其旋光度，此值即可认为是α_∞。

需要注意，测到30min后，每次测量间隔时应将钠光灯熄灭，以免因长期过热使用而损坏，但下一次测量之前提前10min打开钠光灯，使光源稳定。另外，实验结束时应立刻将旋光管洗净擦干，防止酸腐蚀旋光管。

实验结果与数据处理

（1）将记录的实验数据处理后列于表6－8。

实验温度：________℃；盐酸浓度：________mol·L^－1；α_∞：________

表6－8　旋光度法测定蔗糖水解反应速率常数的数据

（2）以lg（α_t－α_∞）为纵坐标，以t为横坐标作图，由所得直线的斜率求k值。

（3）由上述作图得到的直线外推至t＝0，求得α₀，再由式（10）求不同时间的k值，取k的平均值。

思考题

（1）为什么可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普通天平称量？