实验二十蔗糖的转化
【目的要求】
1. 测定不同温度时蔗糖转化反应的速率常数和半衰期，并求算蔗糖转化反应的活化能。

2. 了解旋光仪的构造、工作原理，掌握旋光仪的使用方法。

【实验原理】
蔗糖转化反应为： C
12H
22
O
11
+ H
2
O → C
6
H
12
O
6
+ C
6
H
12
O
6
蔗糖葡萄糖果糖
为使水解反应加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。

由于反应中水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，但仍可近似地认为整个反应中水的浓度是恒定的。

而H＋是催化剂，其浓度也保持不变。

因此，蔗糖转化反应可
视为一级反应。

其动力学方程为
(1)
式中，k为反应速率常数；C为时间t时的反应物浓度。

将(1)式积分
得： (2)
式中，C
为反应物的初始浓度。

当C=1/2C
时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期。

由(2)式可得：
(3)
蔗糖及水解产物均为旋光性物质。

但它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。

溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂的性质、液层厚度、光源波长及温度等因素有关。

为了比较各种物质的旋光能力，引入比旋光度的概念。

比旋光度可用下式表示：
[α] tD (4) 式中，t为实验温度(℃)；D为光源波长；α为旋光度；l为液层厚度(m)；C为浓度(kg²m-3)。

由(4)式可知，当其它条件不变时，旋光度α与浓度C成正比。

即：
α＝KC (5)
式中的K是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素有关的常数。

在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α] 20D =66.6°。

产物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度[α] 20D =52.5°；而产物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度[α] 20D =—91.9°。

因此，随着水解反应的进行，右旋角不断减小，最后经过零点变成左旋。

旋光度与浓度成正比，并且溶液的旋光度为各组成的旋光度之和。

若反应时间为0，t，∞时溶液的旋光度分别用α
，αt，α∞表示。

则：
α0＝K反C0 (表示蔗糖未转化) (6)
α∞＝K生C0 (表示蔗糖已完全转化) (7) 式(6)、(7)中的K反和K生分别为对应反应物与产物之比例常数。

αt＝K反C＋K生（C0－C） (8) 由(6)、(7)、(8)三式联立可以解得：
(9)
(10) 将(9)、(10)两式代入(2)式即得：
(11)
由(11)式可见，以ln(α
t －α
∞
)对t作图为一直线，由该直线的斜率即可求得反
应速率常数k。

进而可求得半衰期t
1/2。

根据阿累尼乌斯公式，可求出蔗糖转化反应的活化能E
a。

【仪器试剂】
旋光仪1台；恒温旋光管1只；恒温槽1台；台称1台；停表1块；烧杯(100mL，
1只)；移液管(30mL，2支)；带塞三角瓶(100mL，2只)。

HCl(3mol²dm-3)；蔗糖(A.R.)。

【实验步骤】
1. 将恒温槽调节到(25.0±0.1)℃恒温，然后在恒温旋光管中接上恒温水。

2. 旋光仪零点的校正洗净恒温旋光管，将管子一端的盖子旋紧，向管内注入蒸馏水，把玻璃片盖好，使管内无气泡（或小气泡）存在。

再旋紧套盖，勿使漏水。

用吸水纸擦净旋光管，再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净，放入旋光仪中盖上槽盖开启旋光仪，校正旋光仪零点。

3. 蔗糖水解过程中α
t
的测定用台称称取15g蔗糖，放入100mL烧杯中，加入75mL蒸馏水配成溶液(若溶液混浊则需过滤)。

用移液管取30mL蔗糖溶液置于100mL带塞三角瓶中。

移取30mL3mol²dm-3HCl溶液于另一只100mL带塞三角瓶中。

一起放入恒温槽内，恒温10min。

取出两只三角瓶，将HCl迅速倒入蔗糖中，来回倒三次，使之充分混合。

并且在加入HCl时开始记时，立即用少量混合液荡洗旋光管两次，将混合液装满旋光管(操作同装蒸馏水相同)。

擦净后立刻置于旋光仪中，盖上槽盖。

每隔一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每3min读一次，30min后，每5min读一次。

测定1h。

4. α
∞
的测定将步骤3剩余的混合液置于近60℃的水浴中，恒温至少30min
以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即为α
∞。

5. 另取30ml蔗糖溶液，将恒温槽调节到(30.0±0.1)℃恒温，按实验步骤3、4
测定30.0℃时的α
t 及α
∞。

【注意事项】
—装样品时，旋光管管盖旋至不漏液体即可，不要用力过猛，以免压碎玻璃片。

—在测定α
∞
时，通过加热使反应速度加快转化完全。

但加热温度不要超过60℃，加热过程要防止水的挥发致使溶液浓度变化。

—由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴漏到仪器上。

实验结束后必须将旋光管洗净。

【数据处理】
1.设计实验数据表，记录温度、盐酸浓度、α
t、α
∞
等数据，计算不同时刻时αt
－α∞和ln(α
t －α
∞
)。

2. 以ln(αt－α∞)对t作图，由所得直线的斜率求出反应速率常数k。

3. 计算蔗糖转化反应的半衰期t1/2。

4. 由两个温度下测得的k值计算反应的活化能。

思考题
1. 实验中，为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点？在蔗糖转化反应过程中，所测的旋光度αt是否需要零点校正？为什么？
2. 蔗糖溶液为什么可粗略配制？
3. 蔗糖的转化速率常数k与哪些因素有关？
4. 试分析本实验误差来源，怎样减少实验误差？
思考题
1. 实验中，为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点？在蔗糖转化反应过程中，所测的旋光度αt是否需要零点校正？为什么？
(1) 因水是溶剂且为非旋光性物质。

(2) 不需，因作lg( αt- α∞) ～t 图，不作零点校正，对计算反应速度常数无影响。

2. 蔗糖溶液为什么可粗略配制？
因该反应为( 准) 一级反应，而一级反应的速率常数、半衰期与起始浓度无关，只需测得dC/dt 即可。

3. 蔗糖的转化速率常数k与哪些因素有关？
温度，催化剂浓度
4. 试分析本实验误差来源，怎样减少实验误差？
、试分析本实验误差来源？怎样减少实验误差？
：温度、光源波长须恒定、蔗糖溶液要现用现配。

、旋光度与哪些因素有关？
【讨论】
1. 测定旋光度有以下几种用途：（1）鉴定物质的纯度；（2）决定物质在溶液中的浓度或含量；（3）测定溶液的密度；（4）光学异构体的鉴别等。

2. 古根哈姆（Guggenheim）曾经推出了不需测定反应终了浓度（本实验中即为α∞）就能够计算一级反应速率常数k的方法，他的出发点是因为一级反应在时间t与t－Δt时反应的浓度C及C′可分别表示为：
C＝C0e－kt
C0为起始浓度；
C′= C 0e-k（t+Δt）
由此得ln（C－C′）= －kt＋ln[C 0－（1－e-kt）]，因此如果能在一定的时间间隔Δt测得一系列数据，则因为Δt为定值，所以ln（C－C′）对t作图，即可由直线的斜率求出k。

思考题
1.为什么要求加入酸量要严格准确？
2.旋光仪的复测键一般只在测α∞时使用，能否在测αt时使用？
3.蔗糖水解反应速度与哪些反应条件有关？该反应按一级反应进行的条件是什么？
4.某人测α∞时，发现反应液变为浅黄色，这是由于什么原因？
5.当HCl溶液迅速倒入蔗糖溶液中时，起始溶液的旋光度为右旋还是左旋？随着反应的进行，旋光度怎样变化？为什么？
思考题
1.为什么要求加入酸量要严格准确？
2.旋光仪的复测键一般只在测α∞时使用，能否在测αt时使用？
3.蔗糖水解反应速度与哪些反应条件有关？该反应按一级反应进行的条件是什么？
4.某人测α∞时，发现反应液变为浅黄色，这是由于什么原因？
5.当HCl溶液迅速倒入蔗糖溶液中时，起始溶液的旋光度为右旋还是左旋？随着反应的进行，旋光度怎样变化？为什么？。