实验二 蔗糖的转化――准一级反应
一．目的：
1． 测定蔗糖转化的反应速率常数，半衰期和活化能。 2． 了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系。 3． 了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确的操作技术。
二．原理：
蔗糖转化的反应式为：
C12H22O11＋H2O ? C6H12O6 ＋ C6H12O6
（蔗糖） （葡萄糖） （果糖）
在纯水中，此反应的速度极慢，通常需在氢离子的催化作用下进行，该反应原应为一个二级反应，但由于水是大量存在的，尽管有部分水参加了反应，仍可以认为反应过程中水的浓度是恒定的，因此，蔗糖的转化反应可看作为一级反应。一级反应的反应速度方程可由下式表示：
H??dCA?kCA （1） dt式中：K为反应速率常数，CA为反应时间t时的反应物浓度。 （1） 式积分得：
lnCA＝－kt＋lnCA （2）
式中CA为反应时蔗糖的浓度，当CA＝1/2 CA时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期： t1?20
0
0
ln20.693? （3） kk蔗糖及其转化产物都含有不对称的碳原子，它们都具有旋光性。但是它们旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来量度反应的进程。
测量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之旋光能力，溶剂性质、溶液的浓度、样品管长度、光源波长及温度等均有关系，当其它条件均固定时，旋光度?与反应物浓度C呈线性关系，即
?＝kC （4）
式中常数k与物质之旋光能力、溶剂性质、样品管长度、光源波长等有关。 物质的旋光能力用比旋光度来度量。比旋光度可用下式表示：
[?]t????100lc （5）
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式中：
t――实验时温度；
λ――所用光源波长，一般用钠光灯源D线，其波长为589纳米（nm） ?――测得的旋光度，以度为单位；
C――浓度，以g/100cm为单位，即在100 cm溶液里所含物质的克数； l――样品管的长度，以分米为单位。
作为反应物的蔗糖是右旋性物质，其比旋光度[?]D旋性物质，其比旋光度[?]D
20℃
20℃
3
3
=66.6°，生成物中葡萄糖也是右
20℃
=52.5°，但是糖是左旋性物质，其比旋光度[?]D=－91.9°。
由于生成物中果糖的左旋性质，因此随着反应的进行，体系的右旋角不断减小，反应至某一瞬间，体系的旋光度可恰好等于零，而后就变成左旋，直至蔗糖完全转化这时左旋角达到最大值?∞。
?0＝k反CA（t＝0，蔗糖尚未转化） （6） 最终体系的旋光度为
?∞＝k生CA（t＝∞，蔗糖已完全转化） （7）
式（6）（7）中的k反和k生分别为反应物与生成武之比例常数，当时间t时，蔗糖浓度为CA，此时旋光度?t为：
?t＝k反CA＋k生（CA－CA） （8） 由（6）（7）（8）式联立可以得：
0CA?0
00
?0???k反?k生＝k'(?0???) （9） ＝k'(?t???) （10）
CA??t???k反?k生将（9）（10）二式代入（2）式，即得：
ln（?t－?∞）＝－kt＋ln（?0－?∞） （11）
由（11）式可以看出，若以ln（?t－?∞）对t作图得一直线，从直线的斜率可以求得反应速率常数k，测定不同温度下的反应速率常数，可利用阿累尼乌斯公式：
lnk2EaT2?T1?() （12） k1RT2T1RT2T1k2ln （13）
T2?T1k1Ea?计算该温度范围内的平均活化能。
三．药品和仪器：
药品： 蔗糖（化学纯），HCl溶液（4mol/dm）
11
3
仪器： 旋光仪 1台 停表 1只 锥形瓶150cm 2只 移液管25cm 2只 烧杯100cm、400cm 各1只
量筒100cm 1只 Y形管 2只 超级恒温槽 1台
四．实验步骤：
1． 了解和熟悉旋光仪的构造，原理和使用方法。 2． 调节超级恒温槽的温度，使旋光管在25±0.2℃恒温。
3． 用蒸馏水校正仪器的零点：蒸馏水为非旋光性物质，可用作校正仪器的零点。校正时，
先洗净旋光管，将管的一端加上盖子；另一端向管内灌满蒸馏水，使液体形成一个凸出的液面盖上玻璃片，此时，管内不应有气泡存在，（此步需要先用蒸馏水练习），再盖上套盖，使玻璃片紧贴于旋光管。使勿漏水，但必须注意不要旋得太紧，以免玻璃片压碎。用抹布将试样管擦干，再用擦镜纸将旋光管两端的玻璃片擦干净，将旋光管放入旋光仪内，打开光源，调节目镜聚焦，使视野清楚，然后，旋转检偏镜至观察到的三分视野暗度相等为止，记下检偏镜之旋角，重复测量三次，取其平均值，即为仪器零点。
4． 称取20g蔗糖（在台式天平上），放入干燥的烧杯中，并加入100ml蒸馏水，使蔗糖
全部溶解。若溶液混浊，还要进行过滤。 5． 蔗糖转化过程中旋光度的测定 （1）?t的测量
分别用移液管吸取已配置的蔗糖溶液和4mol/LHCl溶液各35ml加入到Y型管的两支管中，在25℃恒温10min，然后将HCl溶液加入到蔗糖溶液中去，当HCl加入到一半时开始计时。并充分混合均匀，迅速用少许混合液将旋光管漂洗三次后，依上述零点校正的方法，将旋光管装好擦净，测定不同时间的旋光度，第一个数据要求离开反应开始时间1－2分钟，测量时，将三分视野调节暗度相等后，先记录时间，再读取旋光度。
第一个数据获得后，每隔一分钟读取一次旋光度，获得五个数据后，每三分钟读取一个数据，获得三个数据后，每五分钟读取一次，获得三个数据后，每十分钟读取一次，直到反应1.5小时为止。 （2）?∞的测定
在测t的同时，将Y型管内剩余的溶液置于50－60℃的水浴内温热30分钟，但必须
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33
3
33
注意水的温度不可超过60℃，以防止溶液变黄，使?∞的测定产生偏差。然后冷却到实验温度测定。若估Y型支管内的剩余溶液不够用来测定?∞，则必须待?t测定完毕后将旋光管内的溶液与Y型支管内合并，再按上述温热要求加热混合液30分钟，冷却到实验温度并测定其?∞。
由于反应混合液温度酸度很大，因此，样品管一定要擦净后才能放入旋光仪，以免外管沾附的反应液腐蚀旋光仪，实验结束后，必须洗净样品管。
6．将恒温槽调节到35±0.2℃，按步骤5测定35℃时蔗糖转化反应的旋光度?t 和?∞。此样品只需做35分钟。
五．记录和数据处理
蔗糖浓度/（g/100cm） ，HCl/（mol/dm） 室温/（℃） ，大气压/（mmHg） 仪器零点/° t/min ?t/° (?t－?∞)/ ° ln(?t－?∞) 3
3
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1. 以ln(?t－?∞)对t作图，求出直线的斜率和截距，计算25℃及35℃时的速率常
数。
2. 由（1）中得的速率常数，求反应的半衰期。 3. 利用阿累尼乌斯公式，计算平均活化能。 4. 作?t－t图。
六．思考题：
1． 实验中，我们用蒸馏水来校正旋光仪的零点，问蔗糖转化反应过程所测的旋光度?t是否
需要零点校正？为什么？
2． 在混合蔗糖溶液和HCl时，我们将HCl溶液加到蔗糖溶液中去，为什么？ 3． 为什么配蔗糖溶液可用粗天平称量？
七．参考资料：
1．F.Daniels,Experimental Physical Chemistry,6th ed.,1962:139-143,234-243 2.南京师大学报，自然科学版，1987，（3）：60
3．复旦大学等编，物理化学实验（上册），人民教育出版社，1980
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