物理化学实验报告：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验报告

旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数

一、目的要求

1、了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法；

2、了解反应的反应物浓度与旋光度之间的关系；

3、测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期。

二、基本原理

蔗糖在水中水解成葡萄糖的反应为：

C12H22O11（蔗糖）+H2O C6H12O6（葡萄糖）+C6H12O6（果糖）

这是一个二级反应，但在H+浓度和水量保持不变时，反应可视为一级反应，速率方程式可表示为：

式中C为时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。上式积分可得：

C0为反应开始时反应物浓度。

当C=0.5C0时,可用t1/2表示,既为反应半衰期:

t1/2=ln2/k = 0.693/k

从可看出，在不同时间测定反应物的相应浓度，并以ln对t作图，可得一直线，由直线斜率既可得反应速率常数k。然而反应是在不断进行的，要快速分析出反应物的浓度的困难的。但蔗糖及其转化物，都具有旋光性，而且它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应的进程。

测量物质旋光度的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含物质的旋光

能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关系。当其它条件固定时，旋光度α与反应物浓度C呈线形关系，即α = βC。

式中比例常数β与物质旋光能力、溶液性质、溶液浓度、样品管长度、温度等有关。

物质的旋光能力用比旋光度来度量,比旋光度用下式表示:

[α]

D

20 =α×100 / l×C A (16—5)

式中[α]

D

20右上角的“20”表示实验时温度为20℃，D是指用钠灯光源D线的波长(即589nm)，α为测得的旋光度( o)，l为样品管长度(dm)，C A为浓度( g/100mL )。

作为反应物的蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α]

D

20= 66.6o；生成物中葡萄

糖也是右旋性物质，其比旋光度[α]

D

20 = 52.5o，但果糖是左旋性物质，其比旋

光度[α]

D

20= -91.9o。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈现左旋性质。因此随着反应进行，体系的右旋角不断减小，反应至某一瞬间，体系的旋光度可恰好等于零，而后就变成左旋，直至蔗糖完全转化，这时左旋角达到最大值α∞。

设体系最初的旋光度为α0=β

反

C0 ( t=0，蔗糖尚未转化 )

体系最终的旋光度为α∞=β

生

C0 ( t=∞，蔗糖已完全转化 )

以上两式中β

反和β

生

分别为反应物与生成物的比例常数。

当时间为t时,蔗糖浓度为C，此时旋光度为αt，即αt=β反C + β生(C0– C)

由以上三式联立可解得：

C0=(α0-α∞)/(β

反-β

生

) = β′(α0-α∞)

C=(αt-α∞)/( β

反-β

生

) = β′(αt-α∞)

将以上两式代入即得：

ln(αt-α∞)=-kt+ln(α0-α∞)

显然,以ln(α0-α∞)对t作图可得一直线，从直线斜率既可求得反应速率常数k。

三、仪器试剂

旋光仪移液管(25mL) 2支

恒温箱蔗糖(分析纯)

具塞大试管（50mL） 2支 HCl溶液

四、实验步骤

1、仪器装置

请仔细阅读仪器九“旋光仪”，了解旋光仪的构造，原理，掌握使用方法。

2、旋光仪的零点校正

蒸馏水为非旋光物资，可以用来校正旋光仪的零点（即α=0时仪器对应的刻度）。校正时，先洗净样品管，将管的一端加上盖子，并由另一端向管内灌满蒸馏水，在上面形成一凸面，然后盖上玻璃片和套盖，玻璃片紧贴于旋光管，此时管内不应该有气泡存在。但必须注意旋紧套盖时，一手握住管上的金属鼓轮，另一手旋套盖，不能用力过猛，以免玻璃片压碎。然后用吸滤纸将管外的水擦干，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦净，放入旋光仪的光路中。打开光源，调节目镜聚焦，使视野清晰，再旋转检偏镜至能观察到三分视野暗度相等为止。记下检偏镜的旋光度α，重复测量数次，取其平均值。此平均值即为零点，用来校正仪器系统误差。

3、反应过程的旋光度的测定

将恒温水浴和恒温箱都调节到所需的反应温度（如15℃、25℃、30℃或35℃）。在锥形瓶内。用移液管吸取蔗糖溶液25ml，注入预先清洁干燥的50mL试管内并加盖；同法，用另一支移液管吸取蔗糖溶液25mL的HCl溶液，置于另一支50mL 试管内加盖。将这两支试管一起置于恒温水浴内恒温10min以上，然后将两支试管取出，擦干管外壁的水珠，把盛有HCl溶液的那支试管倒入蔗糖溶液中，同时记下反应开始的时间，迅速进行混合，使之均匀后，立即用少量反应液荡洗旋光管两次，然后将反应液装满旋光管，旋上套盖，放进已预先恒温的旋光仪内，测量各时间的旋光度。第一个数据，要求在离反应起始时间1～2min内进行测定。在反应开始15min内，每5分钟测量一次，共测8个数据。

4、α∞的测量

反应完毕后，将旋光管内反应液与试管内剩余的反应混合液合并，置于50℃的水浴内温热40min，使其加速反应至完全。然后取出，冷至实验温度下测定旋光度，等大概1～2min，等旋光度变化很小时，记下此时的旋光度，即为α∞值。

四、实验数据及处理：

1、蔗糖转化反应旋光度的测定结果

2、αt-t曲线图

3、ln(αt-α∞)-t图

由计算机作图线性拟合可得斜率为-0.01653，即测得反应速率常数k=0.01653 =ln2/k=0.693/k=41.92min

则反应半衰期t

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五、提问思考

1、在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中，用蒸馏水来校正旋光仪的零点，试问在蔗糖转化反应过程中所测定的旋光度αt是否必须要进行零点校正？

答：不需要零点校正。因为数据处理要求ln(α0-α∞)对t作图，若αt和α∞对零点都有一个偏差，αt-α∞可以抵消。

2、配制蔗糖溶液和盐酸溶液时，是将盐酸加到蔗糖溶液里去，可否将蔗糖溶液加到盐酸溶液中去？为什么？

答：不能。本反应中氢离子为催化剂，如果将蔗糖溶液加到盐酸溶液中，在

瞬间体系中氢离子浓度较高，导致反应速率过快，不利于测定。