旋光物质化学反应反应动力学研究
——蔗糖转化反应
姚立恒    JL12206001 中国科学技术大学
摘要
本实验通过了解反应物浓度与旋光度之间的关系，进而测定蔗糖转化反应过程中旋光度与时间的关系来测定蔗糖转化反应的速率常数、半衰期、表观活化能及相关参数。具体实验过程中通过对温度、 蔗糖浓度、 盐酸浓度这三个变量的控制来检验温度、 反应物浓度、 催化剂浓度等因素对反应的影响。 实验时以旋光度来表征反应进行的程度。
关键词 蔗糖转化反应 反应的速率常数 半衰期 光性 比光度 表观活化能
引言
蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应方程式为：
612661262111212O H C O H C O H O H C H +−→−++
（1） 为使水解反应加速，反应常常以H +为催化剂，故在酸性介质中进行。此反应
的反应速率与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H +的浓度有关。在催化剂H +浓度固定的条件下，这个反应是一个二级反应。但是，此反应中水大量存在，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，故此反应可视为一级反应，动力学方程式为：
kc dt dc
=-，积分后得 kt c c t
=0ln  或o t c kt c ln ln +-=          （2） 式中c 0为反应开始时蔗糖的浓度；c 为时间t 时的蔗糖浓度，k 为水解反应的速率常数。
从式（2）可以看出，在不同的时间测定反应物的浓度，并以t c ln 对t 作图，可得一直线，由直斜率即可求出反应速率常数k 。reaction研究
然而，由于反应是不断进行，要快速分析出某一时刻反应物的浓度比较困难。但根据反应物蔗糖及其生成物都具有旋光性，而且它们的旋光能力不同这一特点，可利用体系在反应过程中旋光度的改变来量度反应的进程。
蔗糖及其水解产物均为旋光物质，在反应进行过程中，如以一束偏振光通过溶液，则可观察到偏振面的
转移，如图（1）所示。由于蔗糖是右旋的，水解混合物是左旋的，所以偏振面将由右边旋向左边。偏振面的转移角度称为旋光度，以α表示。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、液层厚度、光源波长及反应时的温
度等因素有关。当其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度c 呈线性关系，即：
α=βc                                  （3）
式中β是与物质的旋光能力、溶液厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关系的常数。物质的旋光能力用比旋光度[α]来表示。蔗糖是右旋性物质，葡萄糖也是右旋性质，果糖是左旋性物质，它们的比旋光度为：
[a 蔗糖]20D =+66.65° ，[a 蔗糖] 20D =+52.5° ，[a 果糖] 20D
=-91.9°
正值表示右旋，负值表示左旋。
可见当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时体系将经过零变成左旋。
旋光度与浓度成正比，且溶液的旋光度为各组成旋光度之和(加和性)。若以α0、αt 、α∞。分别为反应时间0、t 、∞时溶液的旋光度，则可导出：
c 0∝(α0－α∞)  ，c t ∝(αt －α∞)                    （4）
将式(4)代入式(2)可得：
∞
∞
0--ln
a a a a t =k 1t 或In (αt －α∞)=－kt + ln (α0－α∞)      (5) 上式中In (αt －α∞)对t 作图，从所得直线的斜率即可求得反应速度常数k 。
一级反应的半衰期则用下式求取：
t 1/2=k
k 693.02ln
（6）
仪器和试剂
旋光计(带旋光管)，超级恒温水浴，普通水浴锅，锥形瓶(100mL) ，移液管(25mL)，秒表。2mol ·L -1HCl 溶液；蔗糖(A.R.)。
实验步骤
1．实验准备  配制 2mol ·dm -3及 4mol ·dm -3HCl 溶液，同时配制 20g/400mL 及 40g/400mL 的蔗糖溶液。
2．旋光仪零点调节
用蒸馏水校正仪器的零点，蒸馏水为非光物质，可用以校正仪器的零点（即a=0时仪器对应的刻度）。
（实验所用旋光仪是自动旋光仪，较方便，但是往样品管中加溶液时，注意不要有气泡） 3．蔗糖水解过程中αt 的测定
蔗糖转化旋光度的测定：将超级恒温槽调节到所需的温度，在干燥的150mL 的锥形瓶中准确移取25ml 蔗糖溶液，在另一试剂瓶中置入一些4mol ·dm -3HCl ，将两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时，然后准确移取 25mL 已恒温的 HCl ，注入到已恒温的 25mL 蔗糖溶液中，待移液管中的HCl 流出一半时开始记时，将混合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管2－3次，然后将反应液装满样品管，盖好盖子并擦净。立即放入光仪内，测量各时间的光度。第一个数据要求离开始起反应的 3min 内记录， 本实验采用自动旋光仪测定旋光度。反应开始15min 内，每分钟测量一次，以后由于反应物浓度降低，一直测量到出现光度负值为止。反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放长。
4．α
的测定
∞
将步骤3中剩余的混合液置于55℃水浴内恒温，使其加速反应至完全，然后
。
取出，冷却至水浴温度，测其旋光度，此值即可认为是α
∞
分析
①由上述不同条件下各组的表观活化能可知：考虑到实验的偶然误差及人为的操作误差等的影响，可以认为蔗糖转化反应的表观活化能基本与蔗糖浓度、温度等反应条件无关，是一个定值，稳定在138kJ/mol左右。
②但是对于盐酸浓度不同的反应活化能，由上述数据可以看出反应的活化能与盐酸浓度并没有接的相关性，由于盐酸可能是反应的催化剂，所以盐酸应该会降低反应的活化能，即盐酸浓度越大，活化能越小，至于实验数据并没有给出确切的证据来证明这一点，这可能是由于实验的误差导致的，有待进一步的实验验证。
（1）盐酸浓度的影响：
盐酸浓度越大，速率常数越大，反应进行越快，这可能是由于盐酸是反应的催化剂，虽然盐酸降低反应活化能的证据不是很明显，但是催化剂的用量不同，也会影响反应的速率常数，且盐酸浓度越大，速率常数越大。
（2）温度的影响：
温度越高，速率常数越大，反应进行的越快，这可由阿累尼乌斯公式，由于温度位于指数的分母上，温度越大，指数项越大，速率常数越大。
（3）蔗糖浓度的影响：
由相应的速率常数可知，不同蔗糖浓度下，速率常数不变，但反应速率发生改变，浓度越大，速率越快，这可由旋光度随时间变化的快慢看出，理论原因是由于蔗糖转化反应是一级反应，反应速率与反应物的浓度成正比。
结论
本实验通过测量蔗糖转化反应中旋光度与时间的变化来测量反应的速率常数，进而计算反应光物质化学反应动力学研究—蔗糖转化反应的半衰期、表观活化能及初始旋光度等，同时研究盐酸浓度、蔗糖浓度、温度等对反应的影响。探究了反应的速率常数和表观活化能与盐酸浓度、蔗糖浓度、温度的关系，得到了与理论符合的很好的结果，从一方面也验证了理论的正确性及实验操作的准确性。
参考文献
1.中国科学技术大学化学实验教学中心物理化学实验讲义
2.《物理化学下》傅献彩等编高等教育出版社
Chemical reaction kinetics of optically
active substances
---Conversionreaction of Sucrose
Yao Liheng JL12206001
University of Science and Technology of China
[Abstract]
In this experiment,by learning the relationship between concentration of reactant and specific rotation, we measured the specific rotation changing with time in conversion reaction of sucrose.Through these data,we can calculate the reaction rate constant,half-life,apparent activation energy of conversion reaction of sucrose and other parameters.When conducting the experiment,we control three variables that are temperature concentration of sucrose and concentration of hydrochloric acid to study the influence of the three variables to conversion reaction of sucrose.
[Key Words]
Conversion reaction of sucrose,rotation,specific rotation,reaction rate constant, half-life,apparentactivation energy
数据记录和处理
1.（我的数据）
-1
t
Ln(a t -a ∞)-t 曲线
由图知：直线斜率为-0.01906，得k=0.01906；
因k=0.01906，由公式k
k t 693
.02ln 21==得，半衰期21t =36.37min ；
由此可得，a 0测=e 1.14897-0.635=2.520。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。