实验12一级反应

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1、实验 12 一级反应蔗糖的转化一、目的要求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。二、原理蔗糖转化过程的方程是：H+C12H22O12+ H2OC6H12O6 + 4斗2。6（蔗糖） （葡萄糖） （果糖）其速率方程为：-叭=k fc - c - c（ 12-1 ）dt sH 2oh+式中k为反应速率常数，c为时间t时蔗糖浓度，此反应在定温条件下，在纯水中进行的 s反应速率很慢，通常需要在H +催

2、化下进行，因此H +做催化剂，在反应过程中浓度可视为不变，则式（ 12-1）变为：sH2O12-2)_ desdt式中k = k怙（12-2 ）式表明该反应为二级反应，但由于有大量水存在，虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小而视为常数合并到k中，故式（12-2） 可写成：12-3)_ des k edt表，1 s式中k k e - e ，故蔗糖转化反应可看作表观一级反应，当t 0时，蔗糖的初始浓 表，H+ H20度为 e ，积分(12-3)式得：In e kt + In e(12-4 )s表，101若以Ine对t做图，可得一条直线，从直线斜率可求得k ，当e e ,t t时

3、，半衰 s表，1s 2 01/ 2期t 淫匕6931，t只决定于k 而与蔗糖起始浓度无关，这是一级反应的特征。 1/ 2 kk1/ 2表，1表，1表，1如何获得不同时刻t时的e呢？因蔗糖及其转化产物葡萄糖和果糖都含不对称的碳原子，都s具有旋光性，但旋光能力不同，故可利用体系在反应过程中旋光度的变化来度量反应过程， 度量旋光度所用的仪器称为旋光仪，它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，其构造及测量原理图 12-1。起偏镜石英条 样品管检偏镜读数盘望远镜图 12-1 旋光仪的构造示意图从图 12-1 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

4、野的1/3 ),偏振面被旋转了一个角度(角很小),这种中间与两边偏振面不同(相差 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12-2 ( 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12-2 ( b ),中间暗两边亮；在与图12-2 ( a ) 和12-2 ( b )的角度都相差32角的地方，存在一点，整个视野的光亮度一致，如图12-2(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 12-2 旋光仪的三分视野图旋光仪的大小与溶液中所含旋光物质之旋光能力、溶剂性质、

5、溶液的浓度、光源波长 以及温度等有关。当其它条件均固定是，旋光度Q与反应物质浓度c呈线性关系，即：a = Kc式中的比例常数K与物质之旋光能力、溶剂性质、溶液厚度、温度等有关。当波长、溶剂 及温度一定时，溶液的旋光度与浓度、样品长度成正比，即D 100式中的比例常数Lb称为比旋光度，可用来度量物质的旋光能力，20为实验温度209,DD是指所用钠光灯源D线，波长5893 A , L为样品管长度（dm）, c为浓度（g/100ml ）反应物蔗糖为右旋物质，比旋光度Lb二66.6。；生成物中葡萄糖也是右旋物质，DL10二52.5。；果糖是左旋物质，其L I。=-91.9。由于生成物中果糖的左旋性比葡

6、萄糖DD的右旋性大，所以生成物总体呈现左旋性质。因此，随着反应的进行，右旋角不断减小，反 应至某一瞬间，体系的旋光度可恰好等于零。而后变成左旋，直至蔗糖完全转化，这时左旋 角达到最大值a 。设最初的旋光度为gK反c（蔗糖尚未转化t = 0）（ 12-5 ）最后的旋光度为a = K c（蔗糖已完全转化t = g ）（12-6）g生 0式中K、K分别为反应物与生成物的比例系数，c为反应物的起始浓度即生成物的反 生0最后浓度。当时间为t时，蔗糖浓度为c，此时旋光度a ,st12-7)（12-8）（12-9）a = K c + K (c c )t 反 s 生 0 s由式 12-5、12-6、12-7

7、联立，可解得：a a0* = K (a a )K Ko *反生a at* = K(a a )K Kt *反生将此关系式代入（12-4）式即得：lg(atka ) = 表*,t + lg(a a )*2.303 o *若以lg（a a ）对t作图，从其斜率即可求得反应速率常数k，进而求出其半衰期t。t *表，11/ 2三、仪器和试剂旋光仪1台；电热恒温水浴锅1台；量筒（500ml）2只；三角锥瓶（100ml）1只； 停表；台秤；蔗糖（AR）；盐酸（6mol - dm-3 ）；擦镜纸。四、实验步骤1. 配置 20%蔗糖溶液在台秤上称取6g蔗糖于锥形瓶中，加入24ml蒸馏水摇动使其溶解。2. 旋光仪

8、零点的校正把旋光管一端的盖旋开（注意盖内玻片以防跌碎），用蒸馏水洗净并充满，使液体在管 口形成一凸出的液面，然后将玻片轻轻推放盖好，注意不要留有气泡，然后旋好管盖，注意 不应过紧，使不漏水即可。把旋光管外壳及两端玻片水渍吸干，把旋光管放入旋光仪中，打 开电源，旋转刻度盘在 0 度附近。调整目镜聚焦，使视野清楚，在旋光仪的视野中会看到 如图 12-3的三分视野图，旋转刻度盘使三分视野中的阴暗度完全相等，三分视野的分界线 消失如图12-3（ c ）,则可读取数据。重复三次，取其平均值，即为旋光仪的零点读数。3. 反应过程中旋光度的测定在蔗糖溶液锥瓶中，加入6mol - dm-3 HCI溶液30ml

9、，刚加至1半时开始记时，此时 为反应开始的时间(注意：是一次性加入的！)。倒出旋光管中蒸馏水，以少量蔗糖溶液荡洗次，然后尽快放入旋光仪中，在时间间隔为5min、10min、15min、20min、30min、40min、 50min、60min时测其旋光度，直至旋光度为-2左右为止。多次测定后关上钠光灯，欲 测时提前5min开灯。为防止旋光仪发热而影响旋光管内反应系统的温度，最好每次测定后， 将旋光管移出旋光仪。4. a的测定将剩下的溶液在65759的水浴内恒温约5min，然后冷却至原来的温度，并取少量溶 液荡洗旋光管后，装满溶液，测其旋光度a 。g5. 实验完毕，洗净旋光管，擦干复原。五、注

10、意事项1. 注意不要打破或丢失小玻璃片。2. 加热反应溶液时，注意水温不能超过709,加热时间不超过5min，否则会产生副反应，溶液将会变成黄色。加热的同时，要不断搅拌。六、数据处理1仪器零点，a的值，实验温度C。2列出t-a表，并作出相应的匕-1图。tt3. 从a -1曲线上，等时间间隔读取8 10个a数值，并算出lg(a -a )和ttt glg(a -a )的值，列出下表： 0g4以lg(a -a )对t做图，由直线斜率求出反应速率常数k，并计算出反应的半衰t 8表,期 t 。1/2七、思考题1. 本实验中，用蒸馏水校正旋光仪的零点时，若不进行校正，对实验结果是否有影响？2. 一级反应有

11、那些特征？为什么配置蔗糖溶液可用台秤称量？3. 在混合蔗糖溶液和HCI溶液时，是将HCI溶液加入到蔗糖溶液中，可否把蔗糖溶液加到HCI溶液中，为什么？4. 在测量蔗糖盐酸水溶液时刻t对应的旋光度a时，能否象测纯水的旋光度那样，重t复测三次后，取平均值？5. 你认为该实验还有什么改进的地方？八、参考资料1. H.W.SaIzberg et aI. physicaI Chemistry Laborotary. New York: MacmiIIanPublish ing co.,1 nc,1978.17 220,421 423.2. 北京大学化学系物理化学教研室. 物理化学实验. 修订本. 北京：北京大学出版社，1985.120124.