蔗糖转化反应动力学
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1 实验目的
1) 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) 了解旋光度的概念，学习旋光度的测量方法及在化学反应动力学研究中的应用。

2 原理
蔗糖在水溶液中的转化反应为
此反应是一个二级反应，在纯水中反应速率极慢，通常需要在H +
的催化作用下进行。

当蔗糖含量不大时，反应过程中水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，仍可认为整个反应过程中水的浓度是恒定的。

H +是催化剂，其浓度也保持不变。

则此蔗糖转化反应可以看作是准一级反应，反应速率为
蔗果葡蔗kc dt
dc
dt dc dt dc ===-=υ
式中：k 为蔗糖转化反应速率常数，c 蔗 为时间t 时蔗糖的浓度。

当t ＝0时， kt c c
=蔗
蔗,0ln
当蔗蔗,02
1
c c =
时，相应的时间t 即为半衰期21t ，且
k
k t 6931
.02ln 21=
= 测定不同t 时的c 蔗可求得k 。

在化学反应动力学研究中，要求能实时测定某反应物或生成物的浓度，且测量过程对反应过程没有干扰，本实验通过测量旋光度来代替反应物或生成物浓度的测量。

旋光性物质的旋光角
A
m
m αα=
式中：αm 为旋光性物质的质量旋光本领，与温度、溶剂、偏振光波长等有关；m 为旋光性物质在截面积为A 的线性偏振光束途径中的质量。

由此式可得
Mlc Al
nMl
m m ααα==
M 为旋光性物质的摩尔质量，l 为旋光管的长度。

当温度、溶剂、偏振光波长、旋光物质与旋光管长度一定时，将上式改写为
Ac =α
式中A 为常数。

当旋光管中同时存在多种旋光性物质时，总的旋光角等于各旋光性物质旋光角之和。

蔗糖、葡萄糖和果糖都具有旋光性，但旋光能力不同，因此，随着反应的进
行，蔗糖、葡萄糖、果糖的浓度发生变化，总旋光角也发生变化。

蔗糖、葡萄糖为右旋，果糖为左旋。

所以反应过程中右旋角不断减小，反应完毕时溶液呈左旋。

蔗糖水解反应过程中，不同时间t 时，反应物、生成物浓度为
61266126]
[H 2112212O H C O H C O H O H C +−−→−++
果
葡蔗蔗＝A A A c ---∞
αα0,0
果
葡蔗蔗＝A A A c t ---∞
αα
得
∞
∞
--==ααααt t c c t k 0
,0ln 1ln 1蔗蔗 )ln()ln(0∞∞-+-=-ααααkt t
以)ln(∞-ααt 对t 作图，则图为一直线，由直线斜率可求得蔗糖转化反应速率常数k 。

3 仪器和试剂
旋光仪
恒温槽
磨口塞锥形瓶（250ml ） 烧杯（100ml 、1000ml ） 移液管（50ml ） 蔗糖（A.R.） HCl 溶液
容量瓶（50ml ）
4 实验操作
1) 打开恒温槽，将设定温度调至55℃。

2) 配制溶液：10.0g 蔗糖用少量水溶解，注入50ml 容量瓶，稀至刻度。

3) 配制盐酸溶液50ml HCl 溶液（3.0mol ·dm -3
）于干燥、洁净的250ml 磨口塞锥形瓶中。

4) 将蔗糖溶液倒入另一干燥、洁净的250ml 磨口塞锥形瓶中，将50mlHCl 溶液迅速倒入蔗糖溶液中，同时开动秒表计时。

两瓶应来回倒几次，使溶液倒尽，并加塞混匀。

5) 迅速取少量混合液洗涤旋光测试管两次，在测试管内装满混合液，用镜头纸将测试管两端玻璃片擦干，迅速放入旋光仪内，测量第一个数据α1 ，同时记录时间，测定α1尽量在3min 内完成。

以后每隔2min 测一次。

至少测量至旋光度为负值（左旋）。

6) 将剩余混合液置于55℃水浴内保温30min ，然后冷却至实验温度测α∞ 。

7) 所测旋光角为室温下值，取平均值。

8) 充分洗净测试管，擦净后放回仪器盒，以防酸蚀。

洗净锥形瓶并晾干。

5 注意事项
1） 本实验用HCl 溶液作催化剂，如果HCl 溶液浓度改变，蔗糖转化速率也会变化。

2） 为了获得α∞，将溶液置于50~60℃的水浴内恒温，注意温度不能高于60℃，
否则会产生副反应。

3） 测试中有酸，旋光测定管使用后，应确保充分洗净，以防止金属部分腐蚀。

6 数据记录及处理
1）列表记录实验条件、时间t及相应旋光角αt，会出αt -t曲线。

2）以ln(αt-α∞)对t作图，根据（7）式斜率的反应速率常数k，并计算半衰期t1/2.
编号 1 2 3 4 5
时间/min 1.00 3.00 4.42 6.00 7.50
旋光角/度19.9 14.54 11.3 9.95 8.65
3.1875 2.9375 2.7491 2.6588 2.5634
6 7 8 9 10 11 12
8.50 10.00 11.33 12.50 13.50 15.00 16.50
7.55 6.45 5.56 4.78 4.1 3.1 2.4 2.4748 2.3776 2.2915 2.2093 2.1317 2.0055 1.9065
13 14 15 16 17 18 19
18.00 19.17 20.17 21.33 22.00 22.50 ∞
1.635 1.12 0.71 0.25 -0.1 -0.57 -4.33 1.7859 1.6956 1.6174 1.5216 1.4422 1.3244
αt-t图线：
将αt依次带入，得到ln(αt1α∞)，再以t为横轴，为ln(αt-α∞)纵轴作图得下图：
实验总结：
在本次实验的过程中使用了旋光仪，学习了旋光度在测量溶液浓度方面的应用，
对于实际操作而言：分解反应一直在298K的恒温槽中进行，测试管在不进行测量时也一直放置在298K的恒温槽中保温，因此反应温度和测试温度都达到了实验要求。

在进行了3次测量以后，我组发现恒温槽温度略高于其标定的25℃，我组由此更换了恒温槽以确保实验准确，所以我组尽量在初值误差对测量造成明显影响之前完成测量。

因为实验前预习的较充分，对实验的大致步骤较为清楚，所以实验过程没有出现目的不明确的情况。

实验是理论的坚实基础。

只有在实验中探索和发现才能有收获。

思考题：
(1)计算理论值。

(2)解：
a∞=a m Mlc 又因为两旋光度数据：0.92×10-2、-1.60×10-2(rad*m2*kg-1)
得：α∞=（αm(葡萄糖)·M（葡萄糖）+αm（蔗糖）·M（蔗糖））·l·c
=(0.92e-2ra·m2·kg-1X1000X180g·mol-1-1.60e-2 rad·m2·kg-1X1000X180g·mol-1)x0.1mx(10g/342 g·mol-1/0.05l)
=-0.07158
考虑到反应物有水，产物浓度会变高，所以与实际情况吻合。

(2) 配制蔗糖溶液时为什么使用精度0.1g的天平，而无需使用精度为0.0001g的天平？答：蔗糖需要10.0g，即要求使用精度为0.1g的天平。

使用高精度天平步骤繁杂耗时长。

(3) 两溶液混合时，可否将蔗糖溶液往盐酸溶液里加入？为什么？
答：不可以。

若将蔗糖倒入盐酸，在倒入时，开始少量的蔗糖溶液进入盐酸溶液，少量的蔗糖溶液在浓度相对较高的H+离子下很快反应，导致旋光度骤降，实验无法继续进行。