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蔗糖水解速率常数的测定
祁波031131104

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和半衰期。
2．了解反应物浓度与反应体系旋光度之间的关系。
3．掌握旋光仪的使用方法。

二、实验原理

蔗糖溶液在酸性介质中可水解生成葡萄糖和果糖。反应如下：

（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）
水解反应中，水是大量的，虽然有部分水分子参加了反应，但与溶质浓度的改变相比可以认为它的浓度是恒定的，而且氢离子是催化剂，其浓度也保持不变，故反应速率只与蔗糖浓度有关，可视为一级反应，其速率方程为：
（1）
积分上式得：（2）
反应的半衰期与反应速率常数的关系式为：
（3）
由积分式不难看出：只要测得不同反应时刻对应的反应物浓度，就可以lnc对c作图得到一条直线，由直线斜率求得反应速率常数。然而，反应是在不断进行，要快速分析出不同时刻反应物的浓度是困难的。在本实验中，蔗糖及其水解产物都具有旋光性，即能够通过它们的偏振光的偏振面旋转一定的角度(该角度称为旋光度，常以α符号表示)，来量度其浓度。蔗糖是右旋的，水解混合物是左旋的，所以随水解反应的进行，反应体系的旋光度会由右旋逐渐转变为左旋，因此可以利用体系在反应过程中旋光度的改变来量度反应的进程。
测定物质旋光度所用的仪器称为旋光仪。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力，溶剂性质、溶液浓度、样品管长度、光源波长和温度等因素有关。
（4）
式中为比旋光度，可以量度物质的旋光能力，为所用光源的波长，一般用钠光的D线，其波长为5.89×10-7m,为测定温度（℃），为样品管长度，为旋光物质的物质的量浓度,M为旋光物质的摩尔质量。
由（4）式可以看出，当其它条件不变时，旋光度与物质浓度成正比，即
（5）
式中为比例系数。
蔗糖是右旋物质(比旋光度，产物中葡萄糖也是右旋物质（），果糖是左旋物质（）。因此当水解反应进行时，右旋角不断减小，当反应终了时，体系将经过零变成左旋。
设、和分别表示反应在起始时刻、时刻和无限长时体系的旋光度。反应在相同条件下进行，旋光度与浓度成正比，而且溶液的旋光度为各组成旋光度之和。
由（5）式可导出
（6）
（7）
将（6）、（7）代入（2）式可得
（8）
以对时间t作图可得一条直线，由直线的斜率即可求得反应速率常数。
如果测出不同温度时的k值，利用Arrhenius公式求出反应在该温度范围内的平均活化能。

三、仪器和试剂

旋光仪及其附件1套移液管（25ml）2支
恒温槽及其附件1套烧杯(50ml)2个
恒温水浴1台洗耳球1个
秒表1块蔗糖(化学纯)
容量瓶（100ml）1个HCl溶液（1.8mol.L-1）
容量瓶(25ml)3个洗瓶1只

四、实验步骤

用移液管吸取20％蔗糖溶液25mL放入叉形反应管一侧，再用另一支移液管吸取25mL1.8mol/LHCl溶液放入叉形反应管的另一侧，将叉形管置于298.2K的恒温槽中恒温，恒温大约十分钟后，摇动叉形反应管，使溶液混合并同时开始记时。把溶液摇匀，用此溶液荡洗旋光管2次一3次后，装满旋光管，擦干玻片，勿使留有气泡。由于温度已改变，需将旋光管再置于恒温槽中恒温10min左有，取出擦干，放入旋光仪中，当反应进行时间达15min时，测定旋光度(因为旋光度随时间而改变。温度在观察过程中亦在变化，所以测定时要力求动作迅速熟练)，然后将旋光管重新置于恒温措中恒温，再按下述步骤测定不同时间的旋光度。在开始测定的第一小时内每隔一刻钟测定一次，第二、三小时内每隔30min测定一次，以后可以每隔一小时测定一次，如此测定直至旋光度由右变到左为止。另取25mL20％的蔗糖溶液和25mL1.8mol/LHCl溶液在308.2K下进行反应速率的测定(每5min读一次直至为负值)。
要使蔗糖完全水解，通常需48h左右，为了加速实验进度，可把叉形反应管中剩余的混合液放在323．2K左右的水浴中加热(温度过高会引起其他副反应)2h左右，使反应接近完成，然后取出使其冷却至测定温度，测定其旋光度即为的数值。

五、注意事项
1．蔗糖在配制溶液前，需先经380K烘干。
2．在进行蔗糖水解速率常数测定以前，要熟练掌握旋光仪的使用，能正确而迅速地读出其读数。
3．旋光管管盖只要旋至不漏水即可，过紧的旋钮会造成损坏，或因玻片受力产生应力而致使有一定的假旋光。
4．旋光仪中的钠光灯不宜长时间开启，测量间隔较长时，应熄灭，以免损坏。
5．反应速率与温度有关，故叉形管两侧的溶液需待恒温至实验温度后才能混合。
6．实验结束时，应将旋光管洗净干燥，防止酸对旋光管的腐蚀。

七、思考题
蔗糖水解反应速率常数和哪些因素有关？
答：主要和温度、反应物浓度和作为催化剂的H+浓度有关。

在测量蔗糖转化速率常数时，选用长的旋光管好？还