旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数
Ⅰ．目的要求
一、了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法。 二、测定蔗糖水解转化反应的速率常数和反应的半衰期。 Ⅱ．基本原理
蔗糖在水中会水解转化为葡萄糖与果糖：
C 12H 22O 11+H2O −−→C 6H 12O 6+ C6H 12O 6 蔗糖 葡萄糖 果糖
这是一个二级反应。在水中此反应进行很慢，通常需在H +催化下进行。由于反应时水是大量存在的，可以认为反应过程中水的浓度是不变的，而H +离子只起催化作用，浓度也保持不变，因此蔗糖转化反应可以看为一级反应，即所谓准一级反应。
一级反应的反应速率方程为 -
H +
dc A
=kc A （9-1） dt
式中k 为反应速率常数，c A 为时间t 时的反应物浓度。积分上式可得
⎰
c A
c 0A
t dc A
-=⎰kdt （9-2）
0c A
ln c A -ln c A =kt （9-3） ln c A =-kt +ln c A （9-4） 式中c A 0为反应物反应开始时的浓度。
当c A =
10
c A 时，t 用t 1/2表示，称为反应半衰期。 2
ln 20. 693
= （9-5） k k
t 1/2=
本实验中反应物和生成物均具有旋光性，且旋光能力不同，故可采用体系在反应过程中旋光度变化来量度反应的进程。
量度旋光度所用的仪器称为旋光仪。测得旋光度的大小与溶液中所含的旋光物质的旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管的长度、光的波长以及温度等均有关。在其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度成正比
α=kc
物质的旋光能力用比旋光度来量度，比旋光度由下式来表示
[α]20D =
α
L ⋅c
式中20表示实验温度为20℃，D 表示所用为钠光源D 线，波长为589nm ，α为测得的旋光度，L 为样品管长度（m ），c 为样品浓度（kg/m3）。
当温度、光源波长及溶剂一定时，各种物质的[α]D 为一定值，如以水为溶剂时，蔗糖的[α]20, 葡萄糖的[α]20, 果糖的[α]20。 D =+66.6°D =+52.5°D =-91.9°
当比旋度、旋光管的长度一定时，溶液的旋光度α与物质B 的浓度c B 成正比，即
α=kB c B （9-6）
式中k B 为比例常数。
反应开始时，系统的旋光度为正值，随着反应的进行，溶液中葡萄糖和果糖逐渐增多，虽然二者的浓度相等，但由于果糖的左旋性比葡萄糖的右旋光性大，因此系统的旋光度不断变小，且由正值变为负值，即系统旋光性由右旋逐渐变为左旋。
设系统的起始旋光度为α0，时间t 时的旋光度为αt ，反应终了时的旋光度为
t
α∞，依据（9-6）式可得
（9-7） α0=k 蔗c A
αt =k 蔗c A +(k 葡+k 果) (c A -c A ) (9-8) 0
(9-9) α∞=(k 葡+k 果) c A
由(9-7)、(9-8)、（9-9）三式联立可解得
c A =
k 蔗-k 葡+k 果k 蔗-k 葡+k 果α0-α∞αt -α∞
（9-10）
c A =
（9-11）
将此两式代入（9-2）式并整理可得
ln(αt -α∞) =-kt +ln(α0-α∞) （9-12）
由ln(αt -α∞) 对t 作图得一直线，由直线斜率可求出反应速率常数k 。 Ⅲ．仪器 试剂
旋光仪 1台 超级恒温槽（公用） 1台 秒表 1只 容量瓶 （50ml ） 1只 锥形瓶 （100ml ） 1只 移液管 （25ml ） 2只 吸耳球 1只 台称 （公用） 1台 蔗糖（分析纯） 盐酸溶液（2mol/L） Ⅳ．实验步骤
一、参阅附录中有关旋光仪部分，熟悉旋光仪的构造、原理和使用方法。 二、校正旋光仪零点
打开旋光仪电源开关，预热几分钟。然后将已洗净的旋光管的一端的盖子旋紧，由另一端向管内装满蒸馏水，使水形成一凸出的液面，取玻璃盖片从旁边轻轻推入盖好，再旋紧套盖，勿使漏水，管内应尽量避免有水泡存在。若有微小气泡，应设
法赶至管的凸肚部分（玻璃盖子勿在水槽中洗涤，防止丢失）。用纸揩干旋光管外部，再用擦镜纸擦两端玻片。将旋光管置于旋光仪内，凸肚一端位于靠光源方，盖上槽盖，按退零按钮，使显示屏上读数为零。 三、测定αt 值
称取10克蔗糖，溶于蒸馏水中，待完全溶解后，用50ml 容量瓶配制溶液。用移液管移取25ml 蔗糖溶液置于100ml 的锥形瓶中，用另一支移液管移取25ml 浓度为2mol/L的HCl 溶液加到盛有蔗糖的锥形瓶中混合，并在HCl 溶液加至一半时，开动秒表作为反应时间的开始。不断振荡摇动锥形瓶，取出少量清洗旋光管，然后以混合液注满旋光管（方法同步骤二），揩干净后置于旋光仪中。到5分钟时，按测量按钮，读取显示屏上读数。同样读取10、15、20、30、40、60、80与100分钟的αt 值。 4．测定α∞值
为了测定反应终了的旋光度αt 值即α∞值，可将步骤三中锥形瓶内剩余的混合液置于50～60℃的水浴中温热30分钟, 以加速蔗糖水解转化, 然后冷却至室温，测其旋光度即为α∞值。必须注意水浴温度不可过高，否则将产生副反应，溶液变黄。
由于反应混合液酸度较大，因此旋光管外面必须擦干后才能放入旋光仪内测量。旋光管在实验结束后必须洗涤干净。 Ⅴ．数据处理
实验温度（室温）__________℃ 大气压___________Pa
HCl 溶液浓度___________mol/L 蔗糖溶液浓度____________ mol/L
α∞ =__________°
以ln(αt -α∞) 对t 作图得一直线, 由直线斜率求反应速率常数k, 并计算半衰期t 1/2。 Ⅵ．思考题
一、在旋光度测量中为什么要对零点进行校正？
二、在计算k 时，是否要先测出α0，实验中蔗糖溶液和盐酸混合时反应立即开始，那么如何求α0？
三、本实验中是将盐酸溶液加到蔗糖溶液中，可否将蔗糖溶液加至盐酸溶液中？为什么？
旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数
Ⅰ．目的要求
一、了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法。 二、测定蔗糖水解转化反应的速率常数和反应的半衰期。 Ⅱ．基本原理
蔗糖在水中会水解转化为葡萄糖与果糖：
C 12H 22O 11+H2O −−→C 6H 12O 6+ C6H 12O 6 蔗糖 葡萄糖 果糖
这是一个二级反应。在水中此反应进行很慢，通常需在H +催化下进行。由于反应时水是大量存在的，可以认为反应过程中水的浓度是不变的，而H +离子只起催化作用，浓度也保持不变，因此蔗糖转化反应可以看为一级反应，即所谓准一级反应。
一级反应的反应速率方程为 -
H +
dc A
=kc A （9-1） dt
式中k 为反应速率常数，c A 为时间t 时的反应物浓度。积分上式可得
⎰
c A
c 0A
t dc A
-=⎰kdt （9-2）
0c A
ln c A -ln c A =kt （9-3） ln c A =-kt +ln c A （9-4） 式中c A 0为反应物反应开始时的浓度。
当c A =
10
c A 时，t 用t 1/2表示，称为反应半衰期。 2
ln 20. 693
= （9-5） k k
t 1/2=
本实验中反应物和生成物均具有旋光性，且旋光能力不同，故可采用体系在反应过程中旋光度变化来量度反应的进程。
量度旋光度所用的仪器称为旋光仪。测得旋光度的大小与溶液中所含的旋光物质的旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管的长度、光的波长以及温度等均有关。在其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度成正比
α=kc
物质的旋光能力用比旋光度来量度，比旋光度由下式来表示
[α]20D =
α
L ⋅c
式中20表示实验温度为20℃，D 表示所用为钠光源D 线，波长为589nm ，α为测得的旋光度，L 为样品管长度（m ），c 为样品浓度（kg/m3）。
当温度、光源波长及溶剂一定时，各种物质的[α]D 为一定值，如以水为溶剂时，蔗糖的[α]20, 葡萄糖的[α]20, 果糖的[α]20。 D =+66.6°D =+52.5°D =-91.9°
当比旋度、旋光管的长度一定时，溶液的旋光度α与物质B 的浓度c B 成正比，即
α=kB c B （9-6）
式中k B 为比例常数。
反应开始时，系统的旋光度为正值，随着反应的进行，溶液中葡萄糖和果糖逐渐增多，虽然二者的浓度相等，但由于果糖的左旋性比葡萄糖的右旋光性大，因此系统的旋光度不断变小，且由正值变为负值，即系统旋光性由右旋逐渐变为左旋。
设系统的起始旋光度为α0，时间t 时的旋光度为αt ，反应终了时的旋光度为
t
α∞，依据（9-6）式可得
（9-7） α0=k 蔗c A
αt =k 蔗c A +(k 葡+k 果) (c A -c A ) (9-8) 0
(9-9) α∞=(k 葡+k 果) c A
由(9-7)、(9-8)、（9-9）三式联立可解得
c A =
k 蔗-k 葡+k 果k 蔗-k 葡+k 果α0-α∞αt -α∞
（9-10）
c A =
（9-11）
将此两式代入（9-2）式并整理可得
ln(αt -α∞) =-kt +ln(α0-α∞) （9-12）
由ln(αt -α∞) 对t 作图得一直线，由直线斜率可求出反应速率常数k 。 Ⅲ．仪器 试剂
旋光仪 1台 超级恒温槽（公用） 1台 秒表 1只 容量瓶 （50ml ） 1只 锥形瓶 （100ml ） 1只 移液管 （25ml ） 2只 吸耳球 1只 台称 （公用） 1台 蔗糖（分析纯） 盐酸溶液（2mol/L） Ⅳ．实验步骤
一、参阅附录中有关旋光仪部分，熟悉旋光仪的构造、原理和使用方法。 二、校正旋光仪零点
打开旋光仪电源开关，预热几分钟。然后将已洗净的旋光管的一端的盖子旋紧，由另一端向管内装满蒸馏水，使水形成一凸出的液面，取玻璃盖片从旁边轻轻推入盖好，再旋紧套盖，勿使漏水，管内应尽量避免有水泡存在。若有微小气泡，应设
法赶至管的凸肚部分（玻璃盖子勿在水槽中洗涤，防止丢失）。用纸揩干旋光管外部，再用擦镜纸擦两端玻片。将旋光管置于旋光仪内，凸肚一端位于靠光源方，盖上槽盖，按退零按钮，使显示屏上读数为零。 三、测定αt 值
称取10克蔗糖，溶于蒸馏水中，待完全溶解后，用50ml 容量瓶配制溶液。用移液管移取25ml 蔗糖溶液置于100ml 的锥形瓶中，用另一支移液管移取25ml 浓度为2mol/L的HCl 溶液加到盛有蔗糖的锥形瓶中混合，并在HCl 溶液加至一半时，开动秒表作为反应时间的开始。不断振荡摇动锥形瓶，取出少量清洗旋光管，然后以混合液注满旋光管（方法同步骤二），揩干净后置于旋光仪中。到5分钟时，按测量按钮，读取显示屏上读数。同样读取10、15、20、30、40、60、80与100分钟的αt 值。 4．测定α∞值
为了测定反应终了的旋光度αt 值即α∞值，可将步骤三中锥形瓶内剩余的混合液置于50～60℃的水浴中温热30分钟, 以加速蔗糖水解转化, 然后冷却至室温，测其旋光度即为α∞值。必须注意水浴温度不可过高，否则将产生副反应，溶液变黄。
由于反应混合液酸度较大，因此旋光管外面必须擦干后才能放入旋光仪内测量。旋光管在实验结束后必须洗涤干净。 Ⅴ．数据处理
实验温度（室温）__________℃ 大气压___________Pa
HCl 溶液浓度___________mol/L 蔗糖溶液浓度____________ mol/L
α∞ =__________°
以ln(αt -α∞) 对t 作图得一直线, 由直线斜率求反应速率常数k, 并计算半衰期t 1/2。 Ⅵ．思考题
一、在旋光度测量中为什么要对零点进行校正？
二、在计算k 时，是否要先测出α0，实验中蔗糖溶液和盐酸混合时反应立即开始，那么如何求α0？
三、本实验中是将盐酸溶液加到蔗糖溶液中，可否将蔗糖溶液加至盐酸溶液中？为什么？