田志美，宋崇富，田友華，劉昭第，師瑞娟，張 坤，崔玉民

(1.阜陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041; 2.山東省昌樂(lè)二中，山東 昌樂(lè) 262400 )

·實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù)·

蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定方法的改進(jìn)

田志美1，宋崇富1，田友華2，劉昭第1，師瑞娟1，張 坤1，崔玉民1

(1.阜陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041; 2.山東省昌樂(lè)二中，山東 昌樂(lè) 262400 )

文中探討了測(cè)定蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的優(yōu)化方法，發(fā)現(xiàn)讀取旋光度后按復(fù)測(cè)鍵再次讀數(shù)并取平均值計(jì)算得到的速率常數(shù)結(jié)果與理論值符合較好。在優(yōu)化方法基礎(chǔ)上研究了鹽酸濃度和溫度的改變對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響。得到隨催化劑濃度的增大和溫度的升高，速率常數(shù)k隨之變大。根據(jù)阿累尼烏斯公式，求出蔗糖水解反應(yīng)活化能為108 kJ/mol，與文獻(xiàn)值完全吻合，表明該改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法是合理的。

蔗糖水解；優(yōu)化方法；速率常數(shù)；活化能

蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定是物理化學(xué)中一個(gè)典型的一級(jí)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是高等學(xué)校化學(xué)專業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)必開的物理化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)之一[1]。速率常數(shù)是溫度的函數(shù)，隨溫度的改變而發(fā)生變化。由于本實(shí)驗(yàn)所選用的WZZ-1S數(shù)字式自動(dòng)旋光儀只能測(cè)定常溫下的旋光度值，在本文中，我們采用恒溫水浴溫?zé)嵝夤苤姓崽侨芤旱姆椒y(cè)定定溫下蔗糖水解反應(yīng)的旋光度。在WZZ-1S數(shù)字式自動(dòng)旋光儀上有復(fù)測(cè)鍵，確定溫度和催化劑時(shí)，采用平行測(cè)定兩組數(shù)據(jù)或者通過(guò)復(fù)測(cè)測(cè)定數(shù)據(jù)這兩種采集數(shù)據(jù)方法，得到速率常數(shù)，并比較哪種數(shù)據(jù)采集方法更合適。

已有相關(guān)論文討論蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)酸度和溫度的關(guān)系[2]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)等[3-5]，但對(duì)數(shù)據(jù)采集方法方面的討論少見報(bào)道。在本文中，主要探討了測(cè)定反應(yīng)速率常數(shù)的數(shù)據(jù)采集方法；在此方法基礎(chǔ)上，改變催化劑鹽酸濃度，得出速率常數(shù)隨催化劑濃度增大而增大；最后，改變溫度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，速率常數(shù)上升。依據(jù)阿累尼烏斯公式，利用Origin6.1軟件作圖求出蔗糖水解反應(yīng)的活化能Ea。

1 原理

蔗糖在水中轉(zhuǎn)化為葡萄糖與果糖，其反應(yīng)為：

(1)

根據(jù)旋光度與濃度的關(guān)系，可用旋光度代替濃度，得：

ln(αt-α終) = -kt+ ln(α0-α終)

(2)

以ln(αt-α終)對(duì)t作圖可得一直線，從直線斜率即可求得反應(yīng)速率常數(shù)k。

得出不同溫度下速率常數(shù)k值后，利用阿累尼烏斯方程：

lnk= -Ea/RT+ 常數(shù)

(3)

以lnk對(duì)1/T作圖，從直線斜率求出蔗糖水解反應(yīng)活化能Ea。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

WZZ-1S數(shù)字式自動(dòng)旋光儀(上海浦東物理光學(xué)儀器廠)；SYP-Ⅲ玻璃恒溫水浴(南京桑力電子設(shè)備廠)；鹽酸(分析純，上海中試化工總公司)；蔗糖(分析純,上海山浦化工有限公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將恒溫水浴調(diào)節(jié)到303.15 K± 0.01 K。在2個(gè)燒杯內(nèi)，分別加入25 mL蒸餾水和25 mL鹽酸，放入水浴中恒溫10～15 min。稱取5 g蔗糖，加入已經(jīng)恒溫的蒸餾水中，使蔗糖完全溶解。蔗糖溶解后，加入已經(jīng)恒溫的鹽酸，一邊加入一邊攪拌, 反應(yīng)體系中鹽酸濃度為1 mol/L，使其充分反應(yīng)，當(dāng)鹽酸加入一半時(shí)開始計(jì)時(shí)。用反應(yīng)液潤(rùn)洗樣品管2～3次，再向樣品管中加入反應(yīng)液，用濾紙將樣品管外的水擦干凈后，放入旋光儀，測(cè)量各時(shí)間的旋光度。在反應(yīng)開始后2～3 min內(nèi)測(cè)定第一個(gè)數(shù)據(jù)，此后每隔3 min讀取一個(gè)讀數(shù)。在讀取第一個(gè)讀數(shù)后，取出樣品管，放入303.15 K的水浴中恒溫160 s，再取出樣品管，用濾紙將樣品管外的水擦干，放入旋光儀讀取第二個(gè)數(shù)，往后重復(fù)此操作依次讀數(shù)，直至反應(yīng)時(shí)間為45 min為止。在此期間，將剩余的反應(yīng)液置于333.15 K的水浴內(nèi)恒溫45 min，用來(lái)測(cè)量α終。

按照上述步驟，平行測(cè)定一次鹽酸濃度為1 mol/L時(shí)蔗糖水解反應(yīng)的旋光度。在每次讀數(shù)后，按下復(fù)測(cè)鍵，讀取復(fù)測(cè)值。測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 旋光度(ln[(α1+α2)/2-α終]與ln[(α2+αf)/2-α終])隨時(shí)間t變化關(guān)系表

將兩組數(shù)α1，α2取平均值，再以ln[(α1+α2)/2-α終]對(duì)t作圖，見圖1(a)；將測(cè)得的α2與復(fù)測(cè)值αf取平均值，再以ln[(α2+αf)/2-α終]對(duì)t作圖，見圖1(b)。從圖1中可以得出k1=

0.023 39 min-1,k2=0.023 63 min-1。與文獻(xiàn)值k=0.025 5 min-1[6]比較，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)后按復(fù)測(cè)鍵得到的結(jié)果更接近理論值。所以，后面的實(shí)驗(yàn)我們均采取這種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 反應(yīng)溫度為303.15 K，反應(yīng)體系中HCl濃度為1 mol/L時(shí)，旋光度與t的關(guān)系圖

2.3 改變催化劑濃度研究速率常數(shù)變化

將恒溫水浴調(diào)節(jié)到303.15 K± 0.01 K，按上述操作步驟，讀取讀數(shù)后按復(fù)測(cè)鍵再次讀數(shù)。

以ln[(αt+αf)/2-α終]對(duì)t作圖，從斜率得到速率常數(shù)。重復(fù)操作完成反應(yīng)體系中鹽酸濃度分別為1.5mol/L, 2 mol/L的實(shí)驗(yàn)。溫度為303.15 K± 0.01 K時(shí)，相應(yīng)的速率常數(shù)列于表2。

表2 鹽酸濃度與反應(yīng)速率常數(shù)的關(guān)系表

注：*反應(yīng)體系中鹽酸的濃度

從表2可以看出，速率常數(shù)隨催化劑濃度的增加而增大。

2.4 改變溫度研究速率常數(shù)的變化及測(cè)定反應(yīng)活化能

在改變溫度的實(shí)驗(yàn)中,反應(yīng)體系中鹽酸濃度為1.5 mol/L。按照上述實(shí)驗(yàn)步驟，完成295.15 K，299.15 K，307.15 K下蔗糖水解實(shí)驗(yàn)。303.15 K 鹽酸濃度為1.5 mol/L時(shí)速率常數(shù)從表2得出，為0.048 24 min-1。

以ln[(αt+αf)/2-α終]對(duì)t作圖，從斜率得到各溫度下的速率常數(shù)k，列于表3。

表3 不同反應(yīng)溫度與反應(yīng)速率常數(shù)的關(guān)系表

從表3看出，鹽酸濃度為1.5 mol/L，速率常數(shù)隨溫度的升高而增大。

lnk與1/T的關(guān)系如圖2所示。

圖2 lnk與1/T的關(guān)系圖

得到速率常數(shù)k后，由阿累尼烏斯公式lnk=-Ea/RT+常數(shù)，以lnk對(duì)1/T作圖，由斜率求得蔗糖水解反應(yīng)活化能Ea。從圖2可以得出，蔗糖水解反應(yīng)活化能Ea=108 kJ/mol，與文獻(xiàn)值完全吻合[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在每次讀取旋光度后，再次按下復(fù)測(cè)鍵讀取復(fù)測(cè)值，兩次數(shù)值取平均值后計(jì)算得到的速率常數(shù)更接近理論值。所以，可以采取這種采集數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行蔗糖水解實(shí)驗(yàn)?？捎煤銣厮?zé)嵝夤艿姆椒ǖ玫讲煌瑴囟认路磻?yīng)的旋光度值，進(jìn)而得到不同溫度下蔗糖水解反應(yīng)的速率常數(shù)。速率常數(shù)k隨催化劑濃度的升高逐漸增大，隨溫度的升高逐漸增大。通過(guò)計(jì)算，得出了蔗糖水解反應(yīng)的活化能Ea=108 kJ/mol，與文獻(xiàn)值完全吻合。

[1]復(fù)旦大學(xué).物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].3版.北京：高等教育出版社，2003：94-98.

[2]趙云強(qiáng).蔗糖轉(zhuǎn)化速率常數(shù)與酸度和溫度的關(guān)系[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，18(4)：84-86.

[3]周從山，楊濤.蔗糖水解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理新方法[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(4)：46-48.

[4]艾佑宏，吳慧敏，吳瓊.蔗糖水解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)[J].化學(xué)研究，2007，18(1)：80-83.

[5]陳文娟，胡治元.“蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)[J].洛陽(yáng)工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004，14(3)：41-42.

[6]陳元發(fā)，佴如慶，陳全斌，等.蔗糖轉(zhuǎn)化速率常數(shù)與酸濃度關(guān)系方程的確立[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，11(4)：57-61.

[7] 王立斌，陳福忠.蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25(8)：37-38.

如果把學(xué)生的熱情激發(fā)出來(lái)，那么學(xué)校所規(guī)定的功課就會(huì)被當(dāng)作一種禮物來(lái)領(lǐng)受。

——愛因斯坦

Improvement of the Determination Method of the Reaction Rate Constant of Sucrose Hydrolysis

TIAN Zhimei1, SONG Chongfu1, TIAN Youhua2, LIU Zhaodi1, SHI Ruijuan1, ZHANG Kun1, CUI Yumin1

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Fuyang Normal College, Fuyang 236041, China;2.Shandong Changle NO.2 High School, Changle 262400, China )

We performed the optimization method of determination of sucrose hydrolysis rate constant. We found that the rate constant obtained by reading optical rotation by repeating again to obtain average values of optical rotation in accordance with literature result. On the basis of the optimization method, we studied the influence of the concentration of hydrochloric acid and temperature on the reaction rate constant. With the increasing of the catalyst concentration and temperature, the rate constantkbecame bigger. According to the Arrhenius formula, the sucrose hydrolysis reaction activation energy is 108 kJ/mol, which is the same as the literature value. This indicates that the improved experimental method is reasonable.

sucrose hydrolysis; optimization method; rate constant; activation energy

2013-12-06；修改日期: 2014-05-13

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(KJ2013Z256)；安徽省省級(jí)科研機(jī)構(gòu)校級(jí)委托專項(xiàng)基金資助課題(2013HJJC02, 2011HJJC04 YB)；阜陽(yáng)師范學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013103 71018)。

田志美(1981-)，女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向:物理化學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。

宋崇富(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：分析化學(xué)。

O643；TQ031.5

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.001