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蔗糖转化反应动力学

1实验目的

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。

了解旋光度的概念，学习旋光度的测量方法及在化学反应动力学研究中的应用。

2原理

蔗糖在水溶液中的转化反应为

此反应是一个二级反应，在纯水中反应速率极慢，通常需要在H+的催化作用下进行。当蔗糖含量不大时，反应过程中水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，仍可认为整个反应过程中水的浓度是恒定的。H+是催化剂，其浓度也保持不变。则此蔗糖转化反应可以看作是准一级反应，反应速率为

（C18.1）

式中：k为蔗糖转化反应速率常数，c蔗为时间t时蔗糖的浓度。

当t＝0时， (C18.2)

当时，相应的时间t即为半衰期，且

(C18.3)

测定不同t时的c蔗可求得k。在化学反应动力学研究中，要求能实时测定某反应物或生成物的浓度，且测量过程对反应过程没有干扰，本实验通过测量旋光度来代替反应物或生成物浓度的测量。

旋光性物质的旋光角

（C18.4）

式中：αm为旋光性物质的质量旋光本领，与温度、溶剂、偏振光波长等有关；m为旋光性物质在截面积为A的线性偏振光束途径中的质量。由此式可得

（C18.5）

M为旋光性物质的摩尔质量，l为旋光管的长度。当温度、溶剂、偏振光波长、旋光物质与旋光管长度一定时，将上式改写为

(C18.6)

式中A为常数。当旋光管中同时存在多种旋光性物质时，总的旋光角等于各旋光性物质旋光角之和。

蔗糖、葡萄糖和果糖都具有旋光性，但旋光能力不同，因此，随着反应的进行，蔗糖、葡萄糖、果糖的浓度发生变化，总旋光角也发生变化。蔗糖、葡萄糖为右旋，果糖为左旋。所以反应过程中右旋角不断减小，反应完毕时溶液呈左旋。

蔗糖水解反应过程中，不同时间t时，反应物、生成物浓度为

由式C18.2得

（C18.7）

以对t作图，则图为一直线，由直线斜率可求得蔗糖转化反应速率常数k。

3仪器和试剂

旋光仪 恒温槽

磨口塞锥形瓶（250ml） 烧杯（100ml、1000ml）

移液管（50ml） 蔗糖（A.R.）

HCl溶液 容量瓶（50ml）

4实验操作

打开恒温槽，将设定温度调至55℃。

配制溶液：10.0g蔗糖用少量水溶解，注入50ml容量瓶，稀至刻度。

配制盐酸溶液50mlHCl溶液（3.0mol·dm-3）于干燥、洁净的250ml磨口塞锥形瓶中。

将蔗糖溶液倒入另一干燥、洁净的250ml磨口塞锥形瓶中，将50mlHCl溶液迅速倒入蔗糖溶液中，同时开动秒表计时。两瓶应来回倒几次，使溶液倒尽，并加塞混匀。

迅速取少量混合液洗涤旋光测试管两次，在测试管内装满混合液，用镜头纸将测试管两端玻璃片擦干，迅速放入旋光仪内，测量第一个数据α1，同时记录时间，测定α1尽量在3min内完成。以后每隔2min测一次。至少测量至旋光度为负值（左旋）。

将剩余混合液置于55℃水浴内保温30min，然后冷却至实验温度测α∞。

所测旋光角为室温下值，取平均值。

充分洗净测试管，擦净后放回仪器盒，以防酸蚀。洗净锥形瓶并晾干。

5数据记录及处理

实验条件：T1=21.7℃T2=22.2℃

实验数据：

C蔗糖=0.584mol/Lα

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

时间/min

2.333

4

6

8

10

12

14

16

旋光角/

12.055

11.415

10.66

9.875

9.185

8.53

7.86

7.255

l

2.791165

2.75111

2.701697

2.647592

2.597491

2.54749

2.493619

2.442347

编号

9

10

11

12

13

14

15

时间/min

20

25

30

35

40

45

50

旋光角/

6.1

4.755

3.465

2.275

1.175

0.185

-0.685

l

2.336503

2.197225

2.042518

1.874874

1.690096

1.4884

1.269761

αt

αtt/min

α

t/min

以lnαt-α

t/minln

t/min

l

由

l

可知：k=0.0309min-1

t

6实验总结：

由实验做出的曲线可知，所作lnαt

此外酸浓度愈低,反应温度越低,图线就越逼迫直线;而本实验中盐酸浓度为3.0mol·dm-3相对较大，酸浓度过高加速了反应产物发生逆反应及转化等。

在实验的过程中，设置恒温槽为55℃，之后没有再注意，实验进行到一半时才发现溶液变成橙黄色，才发现温度居然升到了将近七十度，因此在测到旋光角为负值后，将测试