蔗糖水解反应速率常数的测定

一、实验目的

（1）根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速率常数。

（2）掌握旋光仪的使用方法。

二、实验原理

蔗糖在水中水解成葡萄糖与果糖的反应为：

为使水解反应加速，反应常常以H3O＋为催化剂，故在酸性介质中进行。水解反应中，水是大量的，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定它的浓度没有改变，故此反应可视为一级反应，动力学方程式为：

式中，c0为反应开始时蔗糖的浓度；c为时间t时的蔗糖浓度。

蔗糖及其水解产物均为旋光物质，当反应进行，如以一束偏振光通过溶液，则可观察到偏振面的转移。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。因此可利用系统在反应过程中旋光度的改变来量度反应的过程。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。

为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度 ［α］这一概念并以式 （3－20）表示：

式中，t为实验温度；D为所用光源波长；α为旋光度；l为液层厚度 （常以10cm为单位）；c为浓度 （常用100cm3溶液中溶有m克物质来表示），式 （3－20）可写成：

由式 （3－21）可以看出，当其他条件不变时，旋光度与反应物浓度成正比，即：

α＝Kc 　（3－23）

式中，K是与物质的旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关系的常数。

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：

［α蔗］20℃D＝66．65°；［α葡］20℃D＝52．5°；［α果］20℃D＝－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。

因为上述蔗糖水解反应时，反应物与生成物都具有旋光性。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α0、αt、α∞分别为反应时间0、t、∞时溶液的旋光度，由式 （3－19）即可导出：

c0＝K（α0－α∞） 　（3－24）

ct＝K（αt－α∞） 　（3－25）

将式 （3－24）、式 （3－25）代入式 （3－19）可得：

式（3－26）中ln（αt－α∞）对t作图，从所得直线的斜率即可求得反应速率常数k。

三、仪器和试剂

1．仪器

WZZ－2B自动旋光计（带旋光管）（1台）、超级恒温水浴（1套）、100cm3锥形瓶（2个）、25cm3移液管（2支）、100cm3烧杯（1个）、50cm3的容量瓶（1个）。

2．试剂

2mol／dm3HCl溶液、蔗糖 （AR）。

四、实验内容

1．准备恒温水浴

将恒温水浴调节到20℃恒温，然后将旋光管口外套接上恒温水。

2．旋光仪零点的校正 （旋光仪见第二章仪器使用简介部分）

洗净旋光管各部分零件，将旋光管一端的螺帽旋紧，向管内注入蒸馏水，取玻璃盖片沿管口轻轻推入盖好，再旋紧螺帽，勿漏水或有气泡产生，盖上箱盖，待示数稳定后，按清零按钮。

3．蔗糖水解过程中αt的测定

称取10g蔗糖，溶于蒸馏水中用50cm3容量瓶制成溶液。如溶液浑浊需进行过滤，用移液管取25cm3蔗糖溶液和25cm32mol／dm3HCl溶液分别注入2个100cm3干燥的锥形瓶中，并将2个锥形瓶同时置于恒温槽中恒温10～15min，待恒温后，将HCl溶液加到蔗糖溶液的锥形瓶中混合，并在HCl溶液加入一半时开动停表作为反应的开始时间，不断振荡摇动，迅速取少量混合液清洗旋光管两次，然后以此混合液注满旋光管，盖好玻璃片，旋紧套盖 （检查是否漏液、有气泡），擦净旋光管两端玻璃片，立刻置于旋光仪中，盖上箱盖，仪器数显窗将显示出该样品的旋光度。测定第一个旋光度数值后，每隔5min测一次，经1h后停止实验。

4．α∞的测定

为了得到反应终了时的旋光度α∞，将步骤3中混合液保留好，48h后重新恒温观察其旋光度，此即为α∞。也可将剩余的混合液置于65℃的水浴中保留1h，以加速水解反应，然后冷却至实验温度，测其旋光度，此值即可认为是α∞。

五、数据记录和处理

（1）记录如下表。

（2）以ln（αt－α∞）对t作图，所得直线斜率算出反应速率常数k。

（3）由上述直线外推至t＝0，求得ln（αt－α∞），再代入式（3－26）计算k值，并比较之。

（4）计算蔗糖水解反应的半衰期。