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1、实验 15 蔗糖水解反应速率常数测定一、实验目的1学习测定反应级数、反应速率常数的方法； 2掌握旋光仪的使用；掌握通过测量系统物理量跟踪反应系统浓度的方法。二、实验原理蔗糖水溶液在H+存在的条件下，按下式进行水解：C H O （蔗糖）+ H O h+ C H O （果糖）+ C H O （葡萄糖）12 22 11 2 6 12 6 6 12 6在该反应中，H+是催化剂，当温度、H+浓度一定时，反应速率与蔗糖和水的浓度成正 比， 即：-dc = kc c（15.1）dt A B式中， c、c 分别代表蔗糖浓度和水的浓度。AB当蔗糖浓度很低时，反应过程中 H2O 浓度相对与蔗糖浓度改变很小，故，可
2、近似认15.2 )(15.3)(15.4)(15.5)为 cB 为常数，令：kc = k =常数B则（15.1）式可写成：dc一 =kc dt A 将（15.3）式分离变量后进行定积分：当t=0 时，CA=CA0 ；t=t 时，ca=ca；定积分式为：-fCAdCA = J tkdtCA0 cA0积分结果：ln c = 一 kt + ln cAA 0（15.5）式是lnct的直线方程。反应进行过程中，测定不同时刻t时反应系统中蔗糖的A浓度cA，取得若干组cA、t的数据后，以lncA对t作图，得一直线，表明该反应为一级 反应（准一级反应），直线斜率为-k。物理化学的研究方法是采用物理的方法测定反
3、应系统某组分的浓度，所谓物理的方 法是利用反应系统某组分或各组分的某些物理性质（如面积、压力、电动势、折光率、 旋光度等）与其有确定的单值函数关系的特征，通过测量系统中该物理性质的变化，间 接测量浓度变化。此种物理化学的实验方法最大的优点是可以跟踪系统某组分或各组分的物理性质的变化，从而，不需要终止反应，便可以随时测定某一时刻反应系统某组分 或各组分的浓度。本实验利用反应物与产物旋光度这一物理性质上的差异确定反应系统中反应物浓度CA。(15.6a)(15.6b)实验过程中某一时刻反应系统中蔗糖浓度CA与同一时刻反应系统的旋光度卩t、反 应完成时反应系统的旋光度氏之差成正比，即：或式中 f 是比
4、例系数。同理,t=0 时，cA=cA0，CA0邛0 氏；或：CA0 = f(卩 0 氏)；(15.6b)式除以(15.7b)代入(15.5)式得:t=t 时，CA*Pt一卩8；CA = f(Pt-P.)(15.7a)In = In t 吐=-ktc 卩-卩A 0 0 8ln(P -P ) = -kt + ln(P -P )t808(15.8a)(15.7b)(15.8b)则(15.8b)为ln(P -P )t的直线方程，式中，卩0、氏为反应初始及反应终了时反应系统的 t80旋光度，它们均不随时间改变。实验过程中只需要测定反应进行的不同时刻t时反应系 统的旋光度卩t(若干个数据)和反应终了时反应
5、系统的旋光度归(一个数据)，以 ln( P -P )对t作图得一直线，直线斜率为一k,用作图法可求出反应速率常数k。t8氏也可以不测，而用数据处理中介绍的方法计算得到。关于偏振光的知识在物理课中已经有所介绍，以下就本实验有关的问题介绍如下：当偏振光通过旋光物质的溶液时，偏振光的振动面偏转一定角度卩，此角度的大小 与偏振光通过的溶液浓度C及液层厚度L成正比，即：P *cxL(15.9a) 写成等式为P 二a 20 x c x LD15.9b)(15.9b)式中a20为被测溶液的比旋光度，即当旋光物质溶液浓度C为1kg.dm-3,液层D厚度为0.1m时溶液的旋光度。又因为光波的波长对旋光度有影响，
6、故规定以20C的钠 光(波长为2896x10-9m,记为“D”)为标准，记作a2o。D使偏振光顺时针偏转的物质称为右旋物质，反之为左旋物质，以右旋为正，左旋则 为负。本实验所涉及的三种旋光物质的比旋光度分别为：蔗糖：a 20= 66.55D葡萄糖：a20= 52.50D果糖：a20=91.90D以此为根据，可以判断本实验反应系统的旋光度，反应初始时应为正值，随着反应 的进行，旋光度逐渐减小，反应终了时，反应系统的旋光度为负值。三、仪器药品旋光仪一台；25ml移液管两支；洗耳球一个；100ml三角瓶一个（带胶塞）；盐酸 水溶液2mol.dm-3 （或3mol.dm-3）； 0.25kg.dm-3
7、蔗糖溶液；恒温水浴一套（共用，当用数 据处理中介绍的方法计算卩时，不用恒温水浴）。四、实验步骤1. 测定旋光仪零点：旋光仪接通电源，点亮钠光灯，等约510分钟，待光源正常 后，测零点，测量方法有二：当采用测量卩的方法进行实验时，旋光仪内不装入旋光管，盖上盖，调整焦距， 使视野清晰，然后缓慢转动手轮，使视野中的三部分亮度均匀（注意，此时三部分亮度 均匀但较暗），从刻度盘游标尺上读取读数（在零度附近），其精度为 0.05。当用数据处理中介绍的方法计算氏，而不测量时，将旋光管内灌满纯净的蒸馏 水，放入旋光仪，盖上盖，调整焦距，使视野清晰，然后缓慢转动手轮，使视野中的三 部分亮度均匀（注意，此时三部分
8、亮度均匀但较暗），从刻度盘游标尺上读取读数（在 零度附近），其精度为 0.05。2反应系统旋光度的测定：用指定移液管取25ml蔗糖溶液置于碘量瓶中，用另一支 移液管取25ml盐酸溶液迅速注入碘量瓶中，注入一半时开始记时，全部注入后，将混 合液摇均匀，灌入准备好的、洁净的旋光管，盖上小玻璃片及管盖，擦干旋光管，将旋 光管放入旋光仪，尽快（最好在记时后5分钟之内）测定反应系统的第一个旋光度卩t，方 法同“1”，此后，分别测量第 10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、90分钟 左右系统的旋光度。3.氏的测量：将盛有剩余溶液的三角瓶作上标记，放入公用的恒温水浴中，恒温 45
9、60分钟后，取出自然冷却至室温，“2”步完成后，将旋光管中溶液倒掉，灌入三角 瓶中的溶液，按照“2”中介绍的方法测量卩J测量一次以后，隔约20分钟后，再测量一 次，两次测量结果基本相同说明反应已进行到底。五、注意事项1. 先掌握旋光仪的使用，主要是掌握三分视野均匀且很暗的视野的确定.2. 旋光管在应用前必须洗干净，实验完成后先用自来水洗净，再用蒸馏水涮净；3. 液体装入旋光管后，管内不能有大气泡，光路内不能有气泡，有小气泡，可将其 赶至旋光管的凸部。4旋光管必须擦净后才能放入旋光仪，否则液体中的盐酸会腐蚀仪器；5. 旋转手轮（旋转检偏镜）时，动作不能过猛，并尽可能顺时针旋转6. 每次测量后，应
10、将旋光管取出,下次测量前再放入，避免仪器升温给测量带来误 差；7. 转动检偏镜，找到三分视野均匀但较暗处即为溶液该时刻的旋光度，注意与三分 视野均匀但很亮处的区别。六、数据记录实验温度：测量前T0 = 29 C；测量前Td= 28 C；平均温度Tm= 28.5 C 旋光管长度： L = 2 dm；反应液中蔗糖溶液的初始浓度： cA0= 0.125kg dm-3反应液中盐酸溶液的浓度：cH = 1.00mol dm-3表 1 实验数据记录表时间t/min610162030456090旋光度B /t11.7010.859.658.506.203.852.100.40tco5.10七、数据处理（1）
11、.用测得的不同时刻t时的卩t减同一个氏，得一组卩厂归，取自然对数（或常用 对数）得1口（卩厂氏）数据，记入下表2.13.2。表 2 数据处理记录表时间t/min旋光度B /t(B B )/t8ln(B B )/t81016203045609011.7016.802.8210.8515.952.779.656.203.852.12 0.4014.7513.6011.307.204.702.692.612.422.191.971.55tco 5.10在坐标纸上，以ln（ptpro）为纵坐标，以t/min 为横坐标绘图得一直线，在线上取点求直线斜率 m, 由直线斜率求出反应速率常数 m/min =
12、k。_ k =加（卩卩）加（卩卩）tg at 一 tabln(p _p ) 一加(B _p )m = tg at 一 ta b minmk = 一minm = 一 0.01542mk = _=0.01542 min _imin八、思考题1 蔗糖浓度、盐酸浓度对反应速率常数 k 有什么影响?答：蔗糖的浓度对k没有影响；盐酸是催化剂，其浓度对k有影响，盐酸浓度越 高，k值越大。2 某一时刻数据未来得及测出怎么办？答：反应开始后，任何时刻的ln（B厂B ）与t的关系都符合直线关系，故可以测co量相邻任意时刻（如下一分钟）的数据。3. 如何确认反应终了时的B可靠？o答：反应结束后，如果温度不变，B值不
13、再改变，两次测量B值基本不变（考虑oo读数误差，故基本不变）就可以认为B可靠。o4. 旋光管内有小气泡怎么办？答：将小气泡赶到玻璃球处，使光路中没有气泡即可。5. 为什么用测量B的方法时，零点的测量时可以不放入旋光管？co答：因为数据处理时，用ln（ B厂B ）对t作图，仪器零点对零点的影响在B t -coB中已经减掉了。OO6. 旋光仪的零点是怎么设计的？答：旋光仪的零点设计使检偏镜的透光轴处于起偏镜透光轴与石英玻璃透光轴两轴 垂直线的角平分线上。九、旋光仪介绍1.旋光仪结构WXG-4型旋光仪如图所示:图2. WXG 4型旋光仪1.钠光灯2.起偏镜3.石英玻离片4.旋光管5.检偏镜6.手轮7
14、.游标刻度盘8.焦距调节钮9.目镜2. 测量原理自钠光灯发出的波长为28902896A的非偏正光，经起偏镜2后成为强度为E0的偏 振光（图2.13.2a所示）。起偏镜后面的石英玻离片3是旋光物质,其旋光度约为3,其宽度 为起偏镜直径的三分之一,放置在光路的中间,将光路的视野分成了三部分（图2.13.2b所 示）。若I、III部分偏振光（电磁波）的振动方向为0 （图中AA），则第II部分偏振光 的振动方向为右旋3 （图中BB）。调零点时，若将检偏镜6偏振光振动化方向KK与AA垂直（图2.13.2c所示），根据 物理学中的马吕萨定律：E=E0COS2Go-起偏镜振动化方向与检偏镜振动化方向的夹角。此时从目镜中看进去，视野的I、III部分是黑的（E=EII= E0COS290=0），而位 于中间的第II部分是亮的，不过光强度很小（E二E0COS287 ）。若将检偏镜偏振光振动化 方向KK与BB垂直（图2.13.2d所示），则位于中间的第II部分是黑的（E二 EC0S290=0）,而视野的I、III部分是亮的，同样光强度很小（EI=Em=E0COS293）0旋光仪把仪器的零点设计在了 00轴位置上（图2.13.2e所示），在此位置上00轴与 AA轴的夹角0、00轴与BB轴的夹角02同为
