(实验11一级反应.docVIP

物理化学实验备课材料 一级反应——蔗糖的转化 一、基本介绍 蔗糖是由葡萄糖的甘羟基与果糖的甘经基缩合而成的二糖。在水溶液中，其甘键断裂可进行如下的转化反应: C12H22O11（蔗糖）+H2O C6H12O6（葡萄糖）+ C6H12O6（果糖） 在纯水中此反应进行的速率极慢.通常需要在H十离子催化作用下进行。此反应是动力学中最早采用物理方法研究的反应之一。早在1850年，Wilhelmy就对此反应进行了研究，发现此反应对蔗糖的反应级数为1。影响蔗糖转化反应速率的因素有反应温度、反应物蔗糖和水的浓度、酸催化剂的种类和浓度等。本实验测定在一定条件下蔗糖转化反应速率常数所采用的物理方法为旋光法。 二、实验目的 1、根据物质的光学性质，用测定旋光度的方法测定蔗糖水溶液在酸催化作用下的反应速率常数和半衰期。 2、了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系及一级反应的动力学特征。 3、了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法及在化学反应动力学测定中的应用。 三、实验原理 反应速率只与某反应物浓度成正比的反应称为一级反应，即速率方程为： 式中c是反应物t时刻的浓度，k是反应速率系数。积分上式得： 式中为t = 0时刻的反应物浓度。一级反应具有以下两个特点： (1)以lnc对于t作图，得一直线，其斜率m = - k。 (2)反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，以t1/2表示。将代入上式，得一级反应的半衰期为 表明一级反应的半衰期t1/2只决定于反应速率常数k，而与反应物起始浓度无关。 蔗糖在酸性溶液中的水解反应为 C12H22O11（蔗糖）+H2O C6H12O6（葡萄糖）+ C6H12O6（果糖） 实验表明，该反应的反应速率与蔗糖、水和氢离子三者的浓度均有关。在氢离子浓度不变的条件下，反应速率只与蔗糖浓度和水的浓度有关，但由于水是大量的，在反应过程中水的浓度可视为不变。在这个情况下，反应速率只与蔗糖浓度的一次方成正比，其动力学方程式符合r = kc式，所以此反应为准一级反应。 蔗糖及其水解产物都是旋光性物质。本实验就是利用反应体系在水解过程中旋光性质的变化来跟踪反应进程。蔗糖、葡萄糖和果糖的比旋光度分别为：蔗糖 ，葡萄糖,果糖为。正值表示右旋，负值表示左旋。 由于果糖的左旋性大于葡萄糖的右旋性，因此随着水解反应的进行，产物浓度的增加，反应体系的旋光度将由正值经零变为负值。以下导出蔗糖的浓度、c与反应体系旋光度之间的关系。 在其他条件不变的情况下，旋光度α与物质的浓度成正比，即 。式中K = 。 因旋光度具有加和性，所以溶液的旋光度为各组分旋光度之和。设反应时刻为0、t和∞时，溶液旋光度分别为α0、αt和α∞，蔗糖，葡萄糖和果糖的K分别为K1，K2和K3，则 t = 0 t = t t = ∞ 将前两式分别减去最后一式，得 上两式相除，得 将此式代入一级反应的动力学方程式中，得 改写成 由上式可以看出，以对t作图可得一直线，由直线的斜率（m = - k）即可求得反应速率系数k，由截距可得到α0。 附：旋光仪的构造及测量原理 旋光仪是利用偏振光通过具有旋光性的被测物质，用检偏镜来测定旋光度的。 图 1 旋光仪的构造示意图 尼科尔棱镜起偏镜原理 从图1看出，自然光通过起偏镜产生偏振光，该偏振光部分通过狭长石英条（宽度为视野的1/3），偏振面被旋转了一个角度Ф（Ф角很小），这种中间与两边偏振面不同（相差Ф角）的偏振光在样品管中被旋转（同样角度）后到达检偏镜。如果检偏镜能通过的光振面与中间光偏振面一致，则视野中可见到如图2（a），中间亮两边暗；同样检偏镜能通过的光偏振面与两边的光一致，则视野中出现图2（b），中间暗两边亮；在与图2（a）和2（b）的角度都相差Ф/2角的地方，存在一点，整个视野的光亮度一致，如图2（c）。这点作为读数点，某溶液和纯水的读数之差就是溶液的旋光度。 图 2 旋光仪的三分视野图 四、实验仪器及试剂 WZZ—1型自动指示旋光仪 1台 20 cm旋光管（带有恒温水外套） 1个 恒温槽 1台 粗天平 1台 移液管（25mL） 2支 烧杯（50mL、500mL） 各1支 双叉管 1支 1mol·dm-3HCl溶液 蔗糖（A·R） 五、实验步骤 1.将恒温槽调节20℃恒温。 2.粗略称5 g蔗糖，放入50 mL烧杯中，加水至40 mL使之完全溶解（若溶液混浊需进