1、實驗 蔗糖水解反應速率常數的測定一、實驗目的1. 測定蔗糖水解反應速率常數和半衰期2. 了解該反應的反應物濃度與旋光度之間的關系3. 了解旋光儀器儀的基本原理,掌握旋光儀的正確使用方法二、實驗原理蔗糖在水中轉化成葡萄糖與果糖，其反應為：C12H22O11 + H2OC6H12O6 + C6H12O6(蔗糖) (葡萄糖) (果糖)它屬于二級反應，在純水中此反應的速率極慢，通常需要在H+離子催化作用下進行。由于反應時水大量存在，盡管有部分水分子參與反應，仍可近似地認為整個反應過程中水的濃度是恒定的，而且H+是催化劑,其濃度也保持不變。因此蔗糖轉化反應可看作為一級反應。一級反應的速率方程可由下式表示

2、：式中c為時間t時的反應物濃度，k為反應速率常數。積分可得： Inc=kt + Inc0c0為反應開始時反應物濃度。一級反應的半衰期為： t1/2=從上式中我們不難看出，在不同時間測定反應物的相應濃度，是可以求出反應速率常數k的。然而反應是在不斷進行的，要快速分析出反應物的濃度是困難的。但是，蔗糖及其轉化產物，都具有旋光性，而且它們的旋光能力不同，故可以利用體系在反應進程中旋光度的變化來度量反應進程。測量物質旋光度所用的儀器稱為旋光儀。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質的旋光能力，溶劑性質，溶液濃度，樣品管長度及溫度等均有關系。當其它條件均固定時，旋光度與反應物濃度c呈線性關系，即=Kc式中比例

3、常數K與物質旋光能力，溶劑性質，樣品管長度，溫度等有關。物質的旋光能力用比旋光度來度量，比旋光度用下式表示：式中“20”表示實驗時溫度為20，D是指用納燈光源D線的波長（即589毫微米），為測得的旋光度，l為樣品管長度（dm），cA為濃度（g/100mL）。作為反應物的蔗糖是右旋性物質，其比旋光度=66.6；生成物中葡萄糖也是右旋性物質，其比旋光度=52.5，但果糖是左旋性物質，其比旋光度=91.9。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈左旋性質。因此隨著反應的進行，體系的右旋角不斷減小，反應至某一瞬間，體系的旋光度可恰好等于零，而后就變成左旋，直至蔗糖完全轉化，這時左旋角達到

4、最大值。設最初系統的旋光度為 0=K反cA,0 （t=0，蔗糖尚未水解）（1）最終系統的旋光度為 =K生cA,0 （t=，蔗糖已完全水解）（2）當時間為t時，蔗糖濃度為cA，此時旋光度為tt= K反cA+ K生(cA,0cA) (3）聯立（1）、（2）、(3)式可得：cA,0=K（0） (4)cA= K（t） (5)將（4）、（5）兩式代入速率方程即得：In(t)=kt+In（0）我們以In(t)對t作圖可得一直線，從直線的斜率可求得反應速率常數k，進一步也可求算出t1/2。三、儀器與試劑旋光儀 一臺 50mL移液管 一支恒溫水槽 一套 150mL錐形瓶 一支秒表 一支 蔗糖 分析純臺秤 一臺

5、 HCL溶液 4mol/L濾紙 擦鏡紙四、旋光儀原理光路：起偏鏡石英條樣品管檢偏鏡刻度盤望遠鏡人眼從鈉燈光源發出的光線通過（聚光鏡、濾色鏡、經檢偏鏡）起偏鏡成為平面偏振光，在半波片處產生三分視場。如圖所示：大于或小于零視場 零視場 大于或小于零視場當視場中三部分暗度一致時（如零視場圖），對應儀器零點，當然，有時儀器存在系統誤差，需要進行零點校正。當放入待測溶液的試管后，由于溶液的旋光性，使平面偏振光旋轉了一個角度，零度視場發生了變化，三分視場的暗不再一致。此時轉動檢偏鏡一定角度，能再次出現暗度一致的視場。檢偏鏡由第一次黑暗到第二次黑暗的角度差即為被測物質的旋光度。五、實驗步驟1了解旋光儀的構造

6、、原理，掌握其使用方法。2用蒸餾水校正儀器的零點：蒸餾水為非旋光性物質，可用來校正儀器的零點（即=0時，儀器對應的刻度）。洗凈樣品管，將樣品管一端蓋子打開，轉入去離子水，使液體成一突出液面，然后蓋上玻璃片，此時管內不應有空氣泡存在，再旋上套蓋，使玻璃片緊貼旋光管，勿使漏水。但必須注意旋緊套蓋時，不能用力過猛，以免壓碎玻璃片，用濾紙擦干樣品管，再用擦鏡紙將樣品管兩端的玻璃片擦干凈。放入旋光儀，打開電源，預熱5-10min，鈉燈發光正常。調目鏡聚焦，使視野清晰；調檢偏鏡至三分視野暗度相等為止，記錄游標（右邊）刻度為檢偏鏡旋角，記錄儀器零點。讀數注意0度以下的實際旋光度（讀數-180）。讀數三次取平

7、均值，即為零點，用來校正儀器的系統誤差。3蔗糖水解反應及反應過程旋光度的測定：取10克蔗糖放在錐形瓶中，用量筒加50ml去離子水倒入使其融解。用50ml移液管移取25mlHCL溶液放入蔗糖水溶液，邊放邊振蕩，當HCL溶液放出一半時按下秒表開始計時（注意：秒表一經啟動，勿停直至實驗完畢）。迅速用反應混合液將樣品管洗滌三次后，將反應混合液裝滿樣品管，擦凈后放入旋光儀，測定規定時間的旋光度。測得第一個數據時間應該為反應開始的前三分鐘內。測量時先將三分視場調節到全暗，再記錄時間（注意時間要記錄準確，以實際反應時間為準），后讀數。反應開始的15 min之內，每隔一分鐘讀數一次，15 min后，由于反應物

8、濃度降低反應速率變慢，可將每次測量時間間隔適當延長，一直測定到旋光度為負值，并要測量45個負值為止。4的測量：測定過程中，可將剩余的反應混合物放入55恒溫槽中加熱30min，使反應充分后，冷卻至室溫后測定體系的旋光度，連續讀數三次平均值。由于反應液的酸度很大，因此樣品管一定要擦干凈后才能放入旋光儀內，以免酸液腐蝕旋光儀，實驗結束后必須洗凈樣品管。六、實驗數據記錄和處理試劑：蔗糖(分析純)，HCl溶液( 4mol/L)；儀器：WXG-4圓盤旋光儀；實驗溫度：30+0.1；所測物理量：時間t與對應的旋光度t；蔗糖反應液配制：蔗糖(10g)+水(50mL)+ HCl(25mL, 4mol/L)。表1

9、 蔗糖反應液所測時間與旋光度原始數據tminttmint測定值=-4.851. 將反應過程所測得的旋光度t和時間t列表（上表所示），并作出tt的曲線圖。2從tt的曲線圖上，等時間間隔取8個t數值，并算出相應的(t)和In(t)的數值并列表。表2 In(t)與t數據t/mintIn(t)3用In(t)對t作圖，由直線斜率求出反應速率常數k（直線斜率的相反數即為速率常數k），并計算反應的半衰期t1/2。七、討論1在實驗過程中，我們用蒸餾水來校正旋光儀的零點，但進行數據處理時并不需要校正零點，為什么？ 2在混合蔗糖溶液時，我們是將HCL溶液加到蔗糖溶液中去的，可否將蔗糖加到HCL溶液中？不能，因為將

10、反應物蔗糖加入到大量HCL溶液時，一旦加入則馬上會分解產生果糖和葡萄糖，則在放出一半開始時，已經有一部分蔗糖產生了反應，記錄t時刻對應的旋光度已經不再準確。反之，將HCL溶液加到蔗糖溶液中去，由于H+的濃度小，反應速率小，計時之前所進行的反應的量很小。3溫度對反應速率常數影響很大，所以嚴格控制反應溫度是做好本實驗的關鍵，建議最好用帶有恒溫夾套的旋光管。本實驗因為在室溫條件下測定，所以在測定過程中，為了防止由于高壓鈉燈發光造成體系溫度的上升，引起測定結果的誤差，在測定時建議適時將樣品管從旋光儀中取出，測定計數時才放入。本實驗最好在室溫15度以上操作，以免實驗時間過長，此時旋光度與時間變化關系變成

11、近似于直線的關系，而實際則應該為曲線關系，故反應時間控制在3040min為宜。4的測量過程中，剩余反應混合液加熱溫度不宜過高以5055為宜，否則有副反應發生，溶液變黃。因為蔗糖是由葡萄糖的苷羥基與果糖的苷羥基之間縮合而成的二糖。在H+離子催化下，除了苷鍵斷裂進行轉化外，由于高溫還有脫水反應，這就會影響測量結果。5反應溶液的配制當反應溫度為293.2K、298.2K時，反應溶液可按25mL蔗糖溶液加25mLHCl溶液配制。當反應溫度為303.2K、308.2K時，反應溶液可按50mL蔗糖溶液加25mLHCl溶液配制。八、實際應用 旋光性是鑒定某些天然物和絡合物立體化學結構的有效方法之一。利用比旋光度分析蔗糖含量更有其簡便和獨到之處。九、文獻值表3 溫度