旋光物质化学反应反应动力学研究

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1、旋光物质化学反应反应动力学研究——蔗糖转化反应姚立恒JL12206001中国科学技术大学摘要本实验通过了解反应物浓度与旋光度之间的关系，进而测定蔗糖转化反应过程中旋光度与时间的关系来测定蔗糖转化反应的速率常数、半衰期、表观活化能及相关参数。具体实验过程中通过对温度、蔗糖浓度、盐酸浓度这三个变量的控制来检验温度、反应物浓度、催化剂浓度等因素对反应的影响。实验时以旋光度来表征反应进行的程度。关键词蔗糖转化反应反应的速率常数半衰期光性比光度表观活化能引言蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应方程式为：（1）为使水解反应加速，反应常常以H+为催化剂，故在酸性介质中进行。此反应的反应速

2、率与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H+的浓度有关。在催化剂H+浓度固定的条件下，这个反应是一个二级反应。但是，此反应中水大量存在，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为它的浓度没有改变，故此反应可视为一级反应，动力学方程式为：，积分后得或（2）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，k为水解反应的速率常数。从式（2）可以看出，在不同的时间测定反应物的浓度，并以对t作图，可得一直线，由直斜率即可求出反应速率常数k。然而，由于反应是不断进行，要快速分析出某一时刻反应物的浓度比较困难。但根据反应物蔗糖及其生成物都具有旋光性，而且它们的旋光能力

3、不同这一特点，可利用体系在反应过程中旋光度的改变来量度反应的进程。蔗糖及其水解产物均为旋光物质，在反应进行过程中，如以一束偏振光通过溶液，则可观察到偏振面的转移，如图（1）所示。由于蔗糖是右旋的，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。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。当其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度c呈线性关系，即：12α=βc（3）式中β是与物质的旋光能力、溶液厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关系的常数。物质的旋光能力用比旋光度[α]来表示。蔗糖是右

4、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：[a蔗糖]=+66.65°，[a蔗糖]=+52.5°，[a果糖]=-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。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)。若以α0、αt、α∞。分别为反应时间0、t、∞时溶液的旋光度，则可导出：c0∝(α0－α∞)，ct∝(αt－α∞)（4）将式(4)代入式(2)可得：=k1t或In(αt－α∞)=－kt+ln(α0－α∞)(5)上式中In(αt－α∞)对t作图，从所得直线的斜率即可求得反应

5、速度常数k。一级反应的半衰期则用下式求取：t1/2=（6）仪器和试剂旋光计(带旋光管)，超级恒温水浴，普通水浴锅，锥形瓶(100mL)，移液管(25mL)，秒表。2mol·L-1HCl溶液；蔗糖(A.R.)。实验步骤1．实验准备配制2mol·dm-3及4mol·dm-3HCl溶液，同时配制20g/400mL及40g/400mL的蔗糖溶液。2．旋光仪零点调节用蒸馏水校正仪器的零点，蒸馏水为非光物质，可用以校正仪器的零点（即a=0时仪器对应的刻度）。（实验所用旋光仪是自动旋光仪，较方便，但是往样品管中加溶液时，注意不要有气泡）3．蔗糖水解过程中αt的测定蔗糖转化旋光度的测定：将

6、超级恒温槽调节到所需的温度，在干燥的150mL的锥形瓶中准确移取25ml蔗糖溶液，在另一试剂瓶中置入一些4mol·dm-3HCl，将两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时，然后准确移取25mL已恒温的HCl，注入到已恒温的25mL蔗糖溶液中，待移液管中的HCl流出一半时开始记时，将混合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管2－3次，然后将反应液装满样品管，盖好盖子并擦净。立即放入光仪内，测量各时间的光度。第一个数据要求离开始起反应的3min内记录，本实验采用自动旋光仪测定旋光度。反应开始15min内，每分钟测量一次，以后由于反应物浓度降低，一直测量到出现

7、光度负值为止。反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放长。124．α∞的测定将步骤3中剩余的混合液置于55℃水浴内恒温，使其加速反应至完全，然后取出，冷却至水浴温度，测其旋光度，此值即可认为是α∞。分析①由上述不同条件下各组的表观活化能可知：考虑到实验的偶然误差及人为的操作误差等的影响，可以认为蔗糖转化反应的表观活化能基本与蔗糖浓度、温度等反应条件无关，是一个定值，稳定在138kJ/mol左右。②但是对于盐酸浓度不同的反应活化能，由上述数据可以看出反应的活化能与盐酸浓度并没有接的相关性，由于盐酸可能是反应的催化