蔗糖水解反应速率常数的测定
一、实验目的
(1) 根据物质的旋光性质研究蔗糖水解反应，测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期；
(2) 了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系；
(3) 了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确使用方法。
二、实验原理
蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应方程式为
G2H22O1 什H2O == CH12O6 + C6H12O6
(蔗糖，右旋)(葡萄糖，右旋)(果糖，左旋) (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。这个反应是二级反应。但是，此反应中有大量水的存在，反应达到终点时，虽有部分水分子参加反应，但可认为其没有改变，故可视为一级反应，动力学方程
de
—=KC
dt
C
积分后得：In -=Kt 或In C=— kt+l n C°(2)
C
式中，C。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n Ct对t作图，可得一条直线，由直线斜率即可求出反应速率常数K。然而反应是不断进行的，
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生成物都具有旋光性，且他们的旋光性不同，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。
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转角度，以a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。当其他条件均固定时，旋光度a与浓度C呈线性关系，即：
a = B C (3) 式中B是与物质的旋光能力、溶液厚度、溶剂性质、光源波长、反应温度有关的常数。物质的旋光能力用比旋光度［a ］来表示。蔗糖是右旋物质，葡萄糖也是右旋性物质，果糖是左旋性物质，他们的比旋光度为
［a蔗］=66.65°，［a葡］=52.5°，［a果］=—91.9。正值表示右旋，负值表示左旋， D 表示钠光灯源。
可见，当水解反应进行时，右旋角度不断减小，当反应终了时，体系将经过零
变成左旋。
旋光度与浓度呈正比，且溶液的旋光度为各组分的旋光度之和(加和性) 。若以a 0，a t，a*分别为时间0，t，^时溶液的旋光度，则可导出：
C D X( a 0— a g)，C©(a t — a ) (4)
将式(2)代入式(4)可得：
ln( a 0 — a ^) / ( a t — a ^ )= kt 或ln(a t — a ^)=—kt + ln( a 0— a ^) (5)
上式中ln( a t—a^)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：
切2 = In 2/k = 0.693/k (6)
三、仪器和试剂
旋光计，恒温水浴，普通水浴锅，秒表，锥形瓶(100ml),移液管(25ml),
200g/L的蔗糖溶液，2mol/L的盐酸溶液。
四、实验操作
1、实验准备
(1)将旋光仪电源开启预热10min，待钠光灯稳定。
(2)将恒温水浴调节到25 T恒温并将水浴锅温度调至70 T加热备用。
2、旋光仪零点调节
在旋光管中注入蒸馏水，放入旋光仪暗箱中，钠光灯稳定后，开启测量开关，调节清零键使光屏显示值为00.000。
3、蔗糖水解反应过程中a t的测定
用移液管取25ml蔗糖溶液和25ml盐酸溶液混合于干燥的锥形瓶中摇匀，并用混合均匀的溶液润洗旋光管。润洗结束后，将配置好的溶液注入旋光管中，盖好玻片，旋紧套盖(必须保证旋光管中没有气泡)，将旋光管两端的水擦干，立刻置于旋光仪暗箱中，盖上箱盖，仪器上将显示出该样品的旋光度。同时将配置好剩余的溶液置于70C的恒温水浴锅内保温待用。反应开始一定时间后开始计时，计时开始后每隔三分钟记录一次数据，并将数据填入表格中。
4、a®的测定
待第三步中的数据记录完毕后，将预先放入恒温水浴锅内的溶液取出，冷却至室温，测定其旋光度，此值可认为是a ^。
五、数据处理
反应温度：25 C蔗糖浓度:200g/L盐酸浓度：2mol/L
t/min 1 036912151821
a t：[5.375 5.175 4.9354.695
：4.495 4.295 4.055r - 1.895
a t — a ®R.5107.2707.070 6.8306.590
：6.390 6.190 5.9500
ln( a t — a ®)2.016
1.984 1.956 1.9211.887 1.855 1.823 1.783—®
(1) 用以上表格中的数据用山(t —®)对t作图，由直线斜率求
出反应速率常数K (直线斜率相反数即为速率常数K)
ln( a t — a ®)--t 图象
y = -0.011x + 2.0187
a
—)
a
(
In
由上
图可知—k=—0.011,故K=0.011.
(2)由半衰期计算公式t1/2=l n 2/k = 0.693/k 得t1/2 =0.693/0.011=63
六、思考题
( 1 )蔗糖溶液为什么可以粗略配置？答：因为该反应为一级反应, 反应物的初始浓度不影响反应速率常数且蔗糖浓度较大故只需要粗略配置即可。
( 2)蔗糖的转化速率和那些因素有关？答：转化速率和温度,浓度等因素有关。
( 3)反应开始时为什么将盐酸溶液倒入蔗糖溶液中,而不是相反？答：如果将蔗糖溶液倒入盐酸溶液中的话可能导致反应过快不利于实验数据的记录。
