齊 鵬，王艷娜，蔣建國,

(1 揚州市職業(yè)大學生物與化工工程學院，江蘇 揚州 225009；2 南京大學化學化工學院，江蘇 南京 210023)

蔗糖在水中在酸性條件下發(fā)生水解反應，轉化成葡萄糖和果糖，其反應為：

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

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

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

ln(αt-α∞)=-kt+ ln(α0-α∞)

在蔗糖水解反應實驗時，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]。

蔗糖水解反應被很多高校選為物理化學實驗的內容之一，但都僅限于在蔗糖濃度比較低的情況下測得系統(tǒng)的旋光度隨反應時間的變化。本論文基于基礎的蔗糖水解實驗，設計了研究不同溫度對蔗糖水解反應速率的影響。通過測定一定濃度的蔗糖水解體系的旋光度的變化，進一步揭示蔗糖的水解反應一級動力學本質，并求出蔗糖水解反應的熱力學數(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)水解反應過程旋光度αt的測定；

蔗糖水解反應在水浴恒溫槽中進行，以確保在恒溫下反應。

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，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。

將反應液注滿旋光管蓋上小玻片，使管內無氣泡，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，然后將裝有反應液的旋光管放入旋光儀樣品室進行測試。

2 結果與討論

2.1 不同溫度下蔗糖水解動力學研究

對20%的蔗糖水溶液分別在30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃溫度下的水解反應，測量間隔一定時間后蔗糖水溶液的旋光度，所得結果如圖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物葡萄糖和果糖。原料蔗糖和產物葡萄糖屬于右旋物質，而果糖屬于左旋物質。所以，水解反應開始之初，體系呈現(xiàn)出右旋特性，所以旋光度是正值。

隨著水解反應的不斷進行，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物葡萄糖和果糖，但是，果糖的左旋性遠大于葡萄糖的右旋性，所以，當反應進行到一定時間時，旋光度開始出現(xiàn)了負值，此時，蔗糖水解反應已經(jīng)接近尾聲。隨著時間的推移，體系旋光度越來越小，最后到達最小值，表明水解反應結束[7-8]。

對該體系水解反應的旋光度數(shù)值進一步進行數(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關系圖

由圖2可見，Ln(αt-α∞)-t呈現(xiàn)出直線關系，表明蔗糖水解反應屬于動力學一級反應，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 蔗糖水解反應活化能的求算

溫度是決定反應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數(shù)據(jù)匯總

以lnk為縱坐標，1/T為橫坐標，得到如圖3所示。

圖3 蔗糖水解反應lnk-1/T關系圖

3 結 論

設計研究了30 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃等溫度對蔗糖水解反應速率的影響。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。進一步根據(jù)動力學原理和阿侖尼烏斯公式，以lnk為縱坐標，1/T為橫坐標，根據(jù)直線線性關系求得蔗糖水解反應的活化能為73.02 kJ/mol，從而進一步揭示了蔗糖的水解反應一級動力學本質，并求出了蔗糖水解反應的熱力學數(shù)據(jù)。