物理化学实验报告
实验名称：蔗糖水解反应速率常数的测定
专 业： 班 级： 矿资141 姓 名： 学 号： 1400130294 小组成员： 日 期： 2016年5月13日
实验二蔗糖水解反应速率常数的测定
实验目的
1. 测定一定温度下蔗糖水解反应的速率常数和半衰期。 2. 掌握自动旋光仪的使用方法。
实验原理
蔗糖水溶液在酸性介质存在下，按下式发生水解反应：
H
C 12H 22O 11+H 2O −−→C 6H 12O 6+C 6H 12O 6
+
蔗糖 葡萄糖 果糖
0200
[a ]20=52. 5[a ]=-91. 9D D
[a ]20=66. 6D
上述反应为二级反应，反应速率方程为：
dc 蔗
-=k 'c 蔗c 水
dt
（1）
当溶液浓度较稀时，反应物水是大量的，尽管有部分水参与反应，但可以近似认为在整个反应过程中水的浓度基本是恒定的。H +是催化剂，其浓度也保持不变。因此反应可以看作是准一级反应，其速率方程为：
dc 蔗-=kc 蔗
dt
将式（2）移项积分，得
（2）
c 0
1n =kt
c t
（3）
式中，c 0为反应开始时蔗糖的初始浓度；c t 为t 时刻时蔗糖的浓度，k 为速率常数，时间-1；t 为反应时间。当c t =
1
c 0时，t 可用t 1/2表示，即为反应的半衰期。由式（2）可得 2
t 1/2=
1n 20. 0693
= k k
（4）
测定c t 的方法有化学法和物理法两种。
1、化学法
化学法即在反应过程中每过若干时间，取出一部分反应混合物，并使取出的反应物迅速停止反应（可采用降温、加阻化剂、稀释等），记录时间，然后分析此时反应物的浓度（多用容量法）。但要使反应迅速停止是有困难的，故误差较大。
2、物理法
物理法是根据反应物和生成物的某一物理性质（如电导、折射率、旋光率、吸收光谱、体积、压力等）与反应物浓度呈单值对应关系的特点，通过测定反应体系中物理性质的变化跟踪反应进程。随着反应的进行，该物理量将不断改变，在不同时间测定该物理量，就可以计算出反应物浓度的改变。此法的优点是不需停止反应而可连续地进行分析。
本实验是通过测定体系的旋光度来跟踪反应进程的。当一束平面偏振光通过某些物质时，其振动方向会发生改变，此时光的振动面旋转一定的角度，这种现象称为物质的旋光现象。这个角度称为旋光度，以a 表示。物质的这种使偏振光的振动面旋转的性质叫做物质的旋光性。凡有旋光性的物质称为旋光物质。蔗糖及其水解产物都有旋光性，但各自的旋光能力是不同的，故可以利用体系在水解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（比旋光本领）[a ]t λ的概念。其物理意义为：当波长为λ的偏振光通过0.1m 长、每立方米含1kg 旋光性物质的溶液后所产生的旋光角，实验室一般用D 线（钠黄光589.6nm ）光源进行测定，所得比旋光度用[a ]t D 表示。溶液的旋光度a 与比旋光度[a ]t D 的关系可以用下式表示：
l c·a =[a ]D ·
t
（5）
式中，t 为实验温度，℃；D 为光源波长，本实验中采用钠黄光，波长为589.6nm ；l 为测量溶液的液层厚度，m ；c 为溶液的浓kg·m -3。由式（5）可知，当其他条件不变时，旋光度a 与浓度c 成正比，即
a =Kc
常数。
（6）
式中，K 是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素有关的实验中，把一定浓度的蔗糖水溶液与一定浓度的盐酸等体积混合，用旋光仪测定旋光度随时间的变化关系，然后推算蔗糖的水解程度。在此水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质，
00
其比旋光度[a ]20水解产生的葡萄糖也为右旋性物质，其比旋光度[a ]20而产D =66.6；D =52.5；0物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度[a ]20D =-91.9。由于果糖的左旋性比较大，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分的旋光度之和。若反应时间为0、t 、∞的旋光度分别用a 0、a t 、a ∞表示，则
a 0=k 反c 0 a ∞=k 产c 0
（7） （8）
a t =k 反c t +k 产(c 0-c t )
（9）
式中，a 0为蔗糖未水解时的旋光度；a ∞为蔗糖全部水解后的旋光度；a t 为蔗糖水溶液水解到t 时刻时体系的旋光度；式（7）~式（9）中的k 反和k 产分别为反应物与产和折比例常数。由式（7）、式（8）、式（9）联立可以解得
c 0=
a 0-a ∞
=k /(a 0-a ∞)
K 反-K 产
a t -a ∞
=k /(a t -a ∞)
K 反-K 产
（10）
c =
（11）
将式（10）、式（11）代入式（3），得
1n (a t -a ∞) =-kt +1n (a 0-a ∞)
（12）
由上式可知，以1n (a t -a ∞) 对t 作图得一直线，由该直线的斜率即可求得蔗糖水解反应的速率常数k ，从而进一步求得反应的半衰期t 1/2。
测定a ∞的方法通常有两种：一种方法是将反应液放置48h 以上，使其反应完全后测a ∞：另一种方法是将反应液在50~60℃水浴中加热30min 以上再冷却到实验温度测a ∞。前一种方法时间太长；而后一种方法应注意温度的控制，否则容易产生副反应。本实验采用前一种方法。
仪器与试剂
WZZ-2A 型自动数显旋光仪1台；旋光管2支；台秤1台（公用）；25ml 容量瓶1个；25ml 移液管1支；50mL 烧杯1个；100ml 锥形瓶1个
蔗糖（AR ）；4mol·L -1的盐酸（公用）；酸性蔗糖溶液（已放置48小时以上，公用）
实验步骤
1．记录实验室温度。
2．打开旋光仪（详见第三章第五节中WZZ 型自动旋光仪部分相关内容）的开关，并将光源开关向下扳到交流位置，这时钠光灯发亮，经5min 钠光灯发光稳定（此时钠光灯发出黄色光）后。将电源开关由AC 转为DC （变交流为直流）。
3．旋光仪零点的校正
蒸馏水为非旋光物质，用其校正仪器的零点。先洗净旋光管，将旋光管一端的盖子旋上，倒置并在管内灌满蒸馏水，使液体形成凸液面，加上另一端的盖子，拧紧。此时管内不应有气泡存在，若有气泡，应将气泡赶到旋光管中间位置的玻璃“鼓肚”中，用滤纸将旋光管外擦干。通光面两端的玻璃片上的雾状水滴，应用镜头纸揩干。将装有蒸馏水的旋光管放入旋光仪的暗箱中，注意旋光管的位置和方向，盖上暗箱的盖子，按“清零”键，旋光仪显示“0.000”的读数。
4．用台秤称取5g 蔗糖，配制25mL 蔗糖水溶液。并将配好的蔗糖溶液倒入锥形瓶中，备用。
5．量取25mL 4mol·L -1的盐酸于小烧杯中，迅速注入装有蔗糖溶液的锥形瓶中，迅速混匀，即得到酸性蔗糖溶液，同时开始计时。
6．αt 的测定
用混合后的溶液迅速润洗干净的旋光管2~3次。尽快装入干净的旋光管中，注满，若有气泡，将气泡赶到旋光管中间位置的玻璃“鼓肚”中。迅速将旋光管放入旋光仪的暗箱中，盖好。记下旋光度的最大值及对应的时间，然后每隔1min 读取一次旋光度值，记录5次；再每隔2min 读取一次旋光度值，记录5次；然后每隔5min 读取一次旋光度值，记录4次；最后每隔10min 读取一次旋光度值，记录1~2次。45分钟后，即可停止。
7．α∞的测定
将同一根旋光管淌洗后装入已配制好且已放置两天的同上述酸性蔗糖溶液，测定其旋光度并记录数值，此即α∞。
8．实验结束后，将旋光管中的溶液倒掉，用自来水冲洗干净，放好。
9．再记录一次实验室温度，并与第一次记录的实验室温度结合，取平均值，作为实验温度。
数据记录与处理
室温：
2．以1n(a t -a ∞) 对t 作图，由所得直线的斜率求出反应的速率常数k 。 3．计算蔗糖转化反应的半衰期t 1/2。
； 大气压： ；a ∞：
；
盐酸浓度：思考题
1．蔗糖水解反应过程中是否必须对仪器进行零点校正？为什么？ 2．蔗糖溶液为什么可以粗配？ 3．蔗糖水解速率常数与哪些因素有关？
4．为什么将已加入盐酸的蔗糖溶液放入旋光管要迅速放入？
5．如果配制的蔗糖溶液的初始浓度发生变化，其它条件不变，对实验结果所得的蔗糖水解反应的速率常数有影响吗？
实验指导及注意事项
1．由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴到仪器上。装旋光管时一定
要将外部擦干净，防止溶液带入仪器，损坏仪器。旋光管中如有气泡，应将其赶至不被光路照射到的部位。
2．实验结束后必须将旋光管上下管口打开并冲洗干净，否则旋光管易腐蚀。 3．测定a 时要掌握好温度和时间，防止出现水解等副反应。
4．记录数据时要遵循“先密后疏”的原则。从开始反应到约50min 即可停止记录。
物理化学实验报告
实验名称：蔗糖水解反应速率常数的测定
专 业： 班 级： 矿资141 姓 名： 学 号： 1400130294 小组成员： 日 期： 2016年5月13日
实验二蔗糖水解反应速率常数的测定
实验目的
1. 测定一定温度下蔗糖水解反应的速率常数和半衰期。 2. 掌握自动旋光仪的使用方法。
实验原理
蔗糖水溶液在酸性介质存在下，按下式发生水解反应：
H
C 12H 22O 11+H 2O −−→C 6H 12O 6+C 6H 12O 6
+
蔗糖 葡萄糖 果糖
0200
[a ]20=52. 5[a ]=-91. 9D D
[a ]20=66. 6D
上述反应为二级反应，反应速率方程为：
dc 蔗
-=k 'c 蔗c 水
dt
（1）
当溶液浓度较稀时，反应物水是大量的，尽管有部分水参与反应，但可以近似认为在整个反应过程中水的浓度基本是恒定的。H +是催化剂，其浓度也保持不变。因此反应可以看作是准一级反应，其速率方程为：
dc 蔗-=kc 蔗
dt
将式（2）移项积分，得
（2）
c 0
1n =kt
c t
（3）
式中，c 0为反应开始时蔗糖的初始浓度；c t 为t 时刻时蔗糖的浓度，k 为速率常数，时间-1；t 为反应时间。当c t =
1
c 0时，t 可用t 1/2表示，即为反应的半衰期。由式（2）可得 2
t 1/2=
1n 20. 0693
= k k
（4）
测定c t 的方法有化学法和物理法两种。
1、化学法
化学法即在反应过程中每过若干时间，取出一部分反应混合物，并使取出的反应物迅速停止反应（可采用降温、加阻化剂、稀释等），记录时间，然后分析此时反应物的浓度（多用容量法）。但要使反应迅速停止是有困难的，故误差较大。
2、物理法
物理法是根据反应物和生成物的某一物理性质（如电导、折射率、旋光率、吸收光谱、体积、压力等）与反应物浓度呈单值对应关系的特点，通过测定反应体系中物理性质的变化跟踪反应进程。随着反应的进行，该物理量将不断改变，在不同时间测定该物理量，就可以计算出反应物浓度的改变。此法的优点是不需停止反应而可连续地进行分析。
本实验是通过测定体系的旋光度来跟踪反应进程的。当一束平面偏振光通过某些物质时，其振动方向会发生改变，此时光的振动面旋转一定的角度，这种现象称为物质的旋光现象。这个角度称为旋光度，以a 表示。物质的这种使偏振光的振动面旋转的性质叫做物质的旋光性。凡有旋光性的物质称为旋光物质。蔗糖及其水解产物都有旋光性，但各自的旋光能力是不同的，故可以利用体系在水解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（比旋光本领）[a ]t λ的概念。其物理意义为：当波长为λ的偏振光通过0.1m 长、每立方米含1kg 旋光性物质的溶液后所产生的旋光角，实验室一般用D 线（钠黄光589.6nm ）光源进行测定，所得比旋光度用[a ]t D 表示。溶液的旋光度a 与比旋光度[a ]t D 的关系可以用下式表示：
l c·a =[a ]D ·
t
（5）
式中，t 为实验温度，℃；D 为光源波长，本实验中采用钠黄光，波长为589.6nm ；l 为测量溶液的液层厚度，m ；c 为溶液的浓kg·m -3。由式（5）可知，当其他条件不变时，旋光度a 与浓度c 成正比，即
a =Kc
常数。
（6）
式中，K 是一个与物质旋光能力、液层厚度、溶剂性质、光源波长、温度等因素有关的实验中，把一定浓度的蔗糖水溶液与一定浓度的盐酸等体积混合，用旋光仪测定旋光度随时间的变化关系，然后推算蔗糖的水解程度。在此水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质，
00
其比旋光度[a ]20水解产生的葡萄糖也为右旋性物质，其比旋光度[a ]20而产D =66.6；D =52.5；0物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度[a ]20D =-91.9。由于果糖的左旋性比较大，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分的旋光度之和。若反应时间为0、t 、∞的旋光度分别用a 0、a t 、a ∞表示，则
a 0=k 反c 0 a ∞=k 产c 0
（7） （8）
a t =k 反c t +k 产(c 0-c t )
（9）
式中，a 0为蔗糖未水解时的旋光度；a ∞为蔗糖全部水解后的旋光度；a t 为蔗糖水溶液水解到t 时刻时体系的旋光度；式（7）~式（9）中的k 反和k 产分别为反应物与产和折比例常数。由式（7）、式（8）、式（9）联立可以解得
c 0=
a 0-a ∞
=k /(a 0-a ∞)
K 反-K 产
a t -a ∞
=k /(a t -a ∞)
K 反-K 产
（10）
c =
（11）
将式（10）、式（11）代入式（3），得
1n (a t -a ∞) =-kt +1n (a 0-a ∞)
（12）
由上式可知，以1n (a t -a ∞) 对t 作图得一直线，由该直线的斜率即可求得蔗糖水解反应的速率常数k ，从而进一步求得反应的半衰期t 1/2。
测定a ∞的方法通常有两种：一种方法是将反应液放置48h 以上，使其反应完全后测a ∞：另一种方法是将反应液在50~60℃水浴中加热30min 以上再冷却到实验温度测a ∞。前一种方法时间太长；而后一种方法应注意温度的控制，否则容易产生副反应。本实验采用前一种方法。
仪器与试剂
WZZ-2A 型自动数显旋光仪1台；旋光管2支；台秤1台（公用）；25ml 容量瓶1个；25ml 移液管1支；50mL 烧杯1个；100ml 锥形瓶1个
蔗糖（AR ）；4mol·L -1的盐酸（公用）；酸性蔗糖溶液（已放置48小时以上，公用）
实验步骤
1．记录实验室温度。
2．打开旋光仪（详见第三章第五节中WZZ 型自动旋光仪部分相关内容）的开关，并将光源开关向下扳到交流位置，这时钠光灯发亮，经5min 钠光灯发光稳定（此时钠光灯发出黄色光）后。将电源开关由AC 转为DC （变交流为直流）。
3．旋光仪零点的校正
蒸馏水为非旋光物质，用其校正仪器的零点。先洗净旋光管，将旋光管一端的盖子旋上，倒置并在管内灌满蒸馏水，使液体形成凸液面，加上另一端的盖子，拧紧。此时管内不应有气泡存在，若有气泡，应将气泡赶到旋光管中间位置的玻璃“鼓肚”中，用滤纸将旋光管外擦干。通光面两端的玻璃片上的雾状水滴，应用镜头纸揩干。将装有蒸馏水的旋光管放入旋光仪的暗箱中，注意旋光管的位置和方向，盖上暗箱的盖子，按“清零”键，旋光仪显示“0.000”的读数。
4．用台秤称取5g 蔗糖，配制25mL 蔗糖水溶液。并将配好的蔗糖溶液倒入锥形瓶中，备用。
5．量取25mL 4mol·L -1的盐酸于小烧杯中，迅速注入装有蔗糖溶液的锥形瓶中，迅速混匀，即得到酸性蔗糖溶液，同时开始计时。
6．αt 的测定
用混合后的溶液迅速润洗干净的旋光管2~3次。尽快装入干净的旋光管中，注满，若有气泡，将气泡赶到旋光管中间位置的玻璃“鼓肚”中。迅速将旋光管放入旋光仪的暗箱中，盖好。记下旋光度的最大值及对应的时间，然后每隔1min 读取一次旋光度值，记录5次；再每隔2min 读取一次旋光度值，记录5次；然后每隔5min 读取一次旋光度值，记录4次；最后每隔10min 读取一次旋光度值，记录1~2次。45分钟后，即可停止。
7．α∞的测定
将同一根旋光管淌洗后装入已配制好且已放置两天的同上述酸性蔗糖溶液，测定其旋光度并记录数值，此即α∞。
8．实验结束后，将旋光管中的溶液倒掉，用自来水冲洗干净，放好。
9．再记录一次实验室温度，并与第一次记录的实验室温度结合，取平均值，作为实验温度。
数据记录与处理
室温：
2．以1n(a t -a ∞) 对t 作图，由所得直线的斜率求出反应的速率常数k 。 3．计算蔗糖转化反应的半衰期t 1/2。
； 大气压： ；a ∞：
；
盐酸浓度：思考题
1．蔗糖水解反应过程中是否必须对仪器进行零点校正？为什么？ 2．蔗糖溶液为什么可以粗配？ 3．蔗糖水解速率常数与哪些因素有关？
4．为什么将已加入盐酸的蔗糖溶液放入旋光管要迅速放入？
5．如果配制的蔗糖溶液的初始浓度发生变化，其它条件不变，对实验结果所得的蔗糖水解反应的速率常数有影响吗？
实验指导及注意事项
1．由于酸对仪器有腐蚀，操作时应特别注意，避免酸液滴到仪器上。装旋光管时一定
要将外部擦干净，防止溶液带入仪器，损坏仪器。旋光管中如有气泡，应将其赶至不被光路照射到的部位。
2．实验结束后必须将旋光管上下管口打开并冲洗干净，否则旋光管易腐蚀。 3．测定a 时要掌握好温度和时间，防止出现水解等副反应。
4．记录数据时要遵循“先密后疏”的原则。从开始反应到约50min 即可停止记录。