蔗糖水解反應(yīng)實驗的動力學(xué)設(shè)計

齊 鵬，王艷娜，蔣建國,

(1 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)生物與化工工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210023)

蔗糖在水中在酸性條件下發(fā)生水解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成葡萄糖和果糖，其反應(yīng)為：

這本是一個二級反應(yīng)，在不加催化劑的情況下反應(yīng)速率非常慢，一般需要用強(qiáng)酸(如鹽酸)作為催化劑[1-3]。在一定溫度下，蔗糖水解反應(yīng)速率與蔗糖、水及催化劑氫離子濃度有關(guān)。水既是溶劑也是反應(yīng)物，因其量遠(yuǎn)大于蔗糖，反應(yīng)過程中可視為常數(shù)，而作為催化劑的氫離子其濃度也保持不變。因此，蔗糖水解反應(yīng)可看作只與蔗糖濃度有關(guān)的一級反應(yīng)，其動力學(xué)方程積分式為

式中，k為水解反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；c0、c分別為反應(yīng)開始和進(jìn)行到t時刻反應(yīng)物蔗糖的濃度，mol·L-1[4-5]。

由于蔗糖及其水解產(chǎn)物葡萄糖、果糖均具有旋光性質(zhì)，且它們的旋光能力不同，而多種旋光物質(zhì)共存的混合溶液的總旋光度等于各旋光物質(zhì)旋光度的代數(shù)和。所以，可以根據(jù)蔗糖的水解反應(yīng)體系旋光度的變化數(shù)值，將蔗糖水解反應(yīng)動力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為：

ln(αt-α∞)=-kt+ ln(α0-α∞)

在蔗糖水解反應(yīng)實驗時，在一定溫度下將一定濃度的蔗糖溶液與一定濃度的鹽酸溶液等體積混合，用旋光儀測出蔗糖水解過程中不同時刻溶液的旋光度αt以及完全水解后溶液的旋光度α∞對時間t作圖，由直線的斜率求出速率常數(shù)k[6]。

蔗糖水解反應(yīng)被很多高校選為物理化學(xué)實驗的內(nèi)容之一，但都僅限于在蔗糖濃度比較低的情況下測得系統(tǒng)的旋光度隨反應(yīng)時間的變化。本論文基于基礎(chǔ)的蔗糖水解實驗，設(shè)計了研究不同溫度對蔗糖水解反應(yīng)速率的影響。通過測定一定濃度的蔗糖水解體系的旋光度的變化，進(jìn)一步揭示蔗糖的水解反應(yīng)一級動力學(xué)本質(zhì)，并求出蔗糖水解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 儀 器

自動旋光儀1臺；水浴恒溫槽1套；移液管(25 mL)兩只。

1.2 試 劑

HCl溶液(4 mol·L-1)；蔗糖(A.R.)；蒸餾水。

1.3 主要步驟

(1)20%蔗糖溶液的配制；

(2)水解反應(yīng)過程旋光度αt的測定；

蔗糖水解反應(yīng)在水浴恒溫槽中進(jìn)行，以確保在恒溫下反應(yīng)。

用25 mL移液管移取25 mL蔗糖溶液，加入加入經(jīng)蒸餾水清洗過的250 mL錐形瓶內(nèi)，用另一只25 mL移液管移取25 mL 4 mol·L-1鹽酸加入錐形瓶，鹽酸加入一半開始計時。

將反應(yīng)液注滿旋光管蓋上小玻片，使管內(nèi)無氣泡，旋緊旋光管套蓋，用濾紙擦干旋光管外壁，用擦鏡紙擦干旋光管兩端的玻璃片，然后將裝有反應(yīng)液的旋光管放入旋光儀樣品室進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下蔗糖水解動力學(xué)研究

對20%的蔗糖水溶液分別在30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃溫度下的水解反應(yīng)，測量間隔一定時間后蔗糖水溶液的旋光度，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 20%蔗糖水溶液的αt-t圖

由圖1可見，水解反應(yīng)剛開始時，體系旋光度為正值，此時，體系中更多的是原料蔗糖以及少量的水解產(chǎn)物葡萄糖和果糖。原料蔗糖和產(chǎn)物葡萄糖屬于右旋物質(zhì)，而果糖屬于左旋物質(zhì)。所以，水解反應(yīng)開始之初，體系呈現(xiàn)出右旋特性，所以旋光度是正值。

隨著水解反應(yīng)的不斷進(jìn)行，體系旋光度數(shù)值逐漸減小，這是由于體系中有了更多的水解產(chǎn)物葡萄糖和果糖，但是，果糖的左旋性遠(yuǎn)大于葡萄糖的右旋性，所以，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定時間時，旋光度開始出現(xiàn)了負(fù)值，此時，蔗糖水解反應(yīng)已經(jīng)接近尾聲。隨著時間的推移，體系旋光度越來越小，最后到達(dá)最小值，表明水解反應(yīng)結(jié)束[7-8]。

對該體系水解反應(yīng)的旋光度數(shù)值進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以ln(αt-α∞)對水解時間作圖，得到圖2。

圖2 20%蔗糖水溶液的ln(αt-α∞)-t關(guān)系圖

由圖2可見，Ln(αt-α∞)-t呈現(xiàn)出直線關(guān)系，表明蔗糖水解反應(yīng)屬于動力學(xué)一級反應(yīng)，驗證了前面的理論方程式ln(αt-α∞)=-kt+ln(α0-α∞) 。

圖2中直線的斜率分別為-0.09528、-0.15155、-0.24806、-0.39322，表明在30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃溫度下蔗糖的水解速率常數(shù)分別為9.528×10-2min-1、1.5155×10-1min-1、2.4806×10-1min-1、3.9322×10-1min-1。

2.2 蔗糖水解反應(yīng)活化能的求算

溫度是決定反應(yīng)速率的主要因素之一。根據(jù)阿侖尼烏斯方程：

表1 不同溫度下蔗糖水解動力學(xué)數(shù)據(jù)匯總

以lnk為縱坐標(biāo)，1/T為橫坐標(biāo)，得到如圖3所示。

圖3 蔗糖水解反應(yīng)lnk-1/T關(guān)系圖

3 結(jié) 論

設(shè)計研究了30 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃等溫度對蔗糖水解反應(yīng)速率的影響。通過測定一定濃度的蔗糖水解體系的旋光度的變化，得到30 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃溫度下蔗糖水解速率常數(shù)分別為：9.528×10-2min-1、1.5155×10-1min-1、2.4806×10-1min-1、3.9322×10-1min-1。進(jìn)一步根據(jù)動力學(xué)原理和阿侖尼烏斯公式，以lnk為縱坐標(biāo)，1/T為橫坐標(biāo)，根據(jù)直線線性關(guān)系求得蔗糖水解反應(yīng)的活化能為73.02 kJ/mol，從而進(jìn)一步揭示了蔗糖的水解反應(yīng)一級動力學(xué)本質(zhì)，并求出了蔗糖水解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。