实验7旋光物质化学反应反应动力学研究报告Word文档格式.docx

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8……

（1）

式中：

k是反应速率常数，CA是反应物的浓度，t是时间，设

为反应物起始浓度，

积分可得：

8……

（2）

若以lnCA对t作图，可得一直线，其斜率的绝对值即为反应速度常数k。

反应速度还可用半衰期t1/2来表示。

若

为在t时间内已经起反应了的反应物浓度，则在ｔ时的反应速度为：



积分可得：



8……（3）

当反应物浓度为起始浓度一半时，即

时所需之时间，称为半衰期t1/2，显然，

8……（4）

上式说明一级反应的半衰期只决定于反应速度常数k，而与起始浓度无关。

这是一级反应的一个特点。

蔗糖转化的反应方程式为：

C12H22O11（蔗糖）＋H2O

C6H12O6（葡萄糖）＋C6H12O6（果糖）

此反应的反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H＋的浓度有关。

在催化剂H+浓度固定的条件下，这个反应本是二级反应，但由于有大量水存在，虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化极小。

因此，反应速度只与蔗糖浓度成正比。

其浓度与时间的关系，符合

（1）式的条件，所以此反应为一级反应。

若在反应过程中的不同时间测得蔗糖的相应浓度，代入上式即可求得该反应的速度常数k。

测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度有两种方法：

1、化学方法是在反应过程中每经过一定的时间取出部分反应混合物，并用化学的方法使其反应立即停止，记录时间，分析此时反应混合物中产物或反应物的浓度。

这种方法得到的结果比较准确，重复性较好，但操作的手续较为繁琐，有些反应让其中止比较困难。

2、物理方法是利用反应体系中反应物或产物的某些物理性质（例如导电性、旋光性、吸光、体积、压力、折光等）与物质浓度的关系，通过测量这些物理性质的变化来确立物质的浓度。

用物理方法进行测量时要满足以下条件：

1、物理性质与反应物质的浓度要有简单的线性关系，最好是正比关系。

2、在反应过程中反应体系的物理性质要有明显的变化。

3、不能有干扰因素。

4、有较好的测量仪器设备。

物理法的优点在于不需从反应体系中取出样品，可直接测定，它不需要停止反应而可连续迅速地进行分析，且可将物理性质变成电信号进行自动记录等。

但对于那些反应中有副反应或少量杂质对所测量的物理性质影响较灵敏时将会造成较大的误差。

本实验是根据反应物与生成物均含有不对称碳原子，它们都具有旋光性，但旋光能力不同这一特点，可用体系反应过程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有旋光物质之旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、样品管长度、光源波长及温度等均有关系。

当其它条件固定时，旋光度与反应物浓度C呈线性关系，即：



=KC8……（5）

式中K与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度等有关。

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：



8……（6）

式中：

t－实验温度。

D－所用光源为钠灯D线（波长589nm）。

－测得的旋光度（）。

l－样品管的长度（dm）。

C－浓度（克/100mL）。

作为反应物的蔗糖是右旋性的物质，其比旋光度

=66.6°

。

生成物中，葡萄糖也是右旋性的物质，其比旋度

=52.5°

但果糖是左旋性物质，其比旋度

=－91.9°

由于生成物中果糖之左旋比葡萄糖右旋性大，所以生成物呈左旋性质。

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∞。

设体系最初的旋光度为0，则

0=K反

（t=0，蔗糖尚未转化）8……（7）

最终体系的旋光度为：

=K生

（t=，蔗糖完全转化）8……（8）

式（7）、（8）中，K反和K生分别为反应物与生成物之比例常数。

当时间为t时，蔗糖浓度为CA，此时旋光度t为：

t=K反CA＋K生（

－CA）8……（9）

综合上面几式可得：

8……（10）

8……（11）

代入积分式

（2）后，得：

8……（12）

若以

对t作图，得一直线，其斜率为－k，从而求得反应的速度常数k。

四、试剂与仪器：

旋光仪（WZZ-2B自动旋光仪）1台上海精密仪器有限公司

HK-2A超级恒温水浴1台南京南大万和科技有限公司

PC894型秒表1个

150mL锥形瓶2个25mL移液管2只

50mL移液管1支

分析纯蔗糖溶液（10g蔗糖溶于50mL水中）4mol·

dm-3HCl溶液

五、实验步骤：

1、了解、熟悉旋光仪的结构、原理和使用方法。

2、用蒸馏水校正仪器的零点，蒸馏水为非旋光物质，可用以校正仪器的零点（即=0时仪器对应的刻度）。

校正时，先冼净样品管，将管一端加上盖子，并向管内灌满蒸馏水，使液体形成一凸出了液面，然后在样品管上面盖上玻璃片，此时管内不应有气泡存在，再旋上套盖，使玻璃片紧贴于旋光管，勿使漏水。

但必须注意旋紧套盖时不能用力过猛，以免玻璃片压碎。

用滤纸将样品管擦干，再用擦镜纸将样品管两端的玻璃片擦干净。

将样品管放入旋光仪内。

打开光源，调整目镜聚焦，使视野清楚。

然后旋转检偏镜，直到所观察到的三分视野暗度相等为止，记下检偏镜之旋角，重复测量数次，取其平均值，此均值即为零点，用来校正仪器的系统误差。

3、蔗糖转化旋光度的测定：

将超级恒温槽调节到所需的温度，在干燥的150mL的锥形瓶中准确移取25ml蔗糖溶液，在另一试剂瓶中置入一些4mol·

dm-3HCl，将两只锥形瓶都放入超级恒温水浴的恒温箱内，恒温至少半小时，然后准确移取25mL己恒温的HCl，注入到己恒温的25mL蔗糖溶液中，待移液管中的HCl流出一半时开始记时，将混合的的反应物摇匀，迅速用少量反应液洗涤样品管2－3次，然后将反应液装满样品管，盖好盖子并擦净。

立即放入旋光仪内，测量各时间的旋光度。

第一个数据要求离开始起反应的3min内记录，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。

为了多读一些数据，反应开始15min内，每分钟测量一次，以后由于反应物浓度降低，一直测量到出现旋光度负值为止。

反应速度变慢，可以将每次测量的时间间隔适当放长。

4、按照实验步骤3，将超级恒温浴温度调至高于原温度5℃或10℃，重复测量蔗糖转化的反应情况。

5、的测定

将剩余的反应液放置48hr后，在相同温度下测定溶液的旋光度，即为值，为了缩短时间，还可将剩余的反应液和样品管中的反应液混合置于50°

－60℃水浴上温热30min，使其加速反应至完全，然后冷却至原来温度，再测此溶液的旋光度，观察读数是否稳定，若稳定，即为值。

注意水浴温度不可过高，否则将产生副反应，颜色变黄。

加热过程亦应避免溶液蒸发影响浓度，影响的测定。

由于酸会腐蚀旋光仪的金属套，因此实验一结束，必须用水将管洗净。

六、对图表的说明及实验结果讨论

反应溶液浓度及条件

30℃、40℃2Hcl低蔗糖

30℃、35℃2Hcl高蔗糖

活化能KJ/（mol）

100.295

105.822

30℃、35℃4Hcl低蔗糖

30℃、35℃4Hcl高蔗糖

85.866

100.952

（1）对于本实验中的每组数据，先分别作出旋光度随时间的变化曲线，可以发现随着时间的增加，反应不断进行，体系的旋光度不断减小，由正值变为负值。

这主要是由于作为反应物的蔗糖是右旋性的物质，其比旋光度

随着反应的进行，蔗糖不断减少，果糖和葡萄糖逐渐增加（但由于二者的摩尔比为1：

1，所以产物整体呈现左旋），因而旋光度逐渐由正变负。

（2）由各种条件下计算出的速率常数k，可以计算得到反应的活化能。

结果如上表。

可以由

和

看出，随着蔗糖浓度的升高，发生反应所需的活化能减小；

主要原因是蔗糖为反应物，在其它条件相同的情况下，蔗糖的浓度越高，反应体系中的活化分子数目就越多，所以发生反应所需要的活化能就越小

（3）由

结合

（2）的结果可以看出，温度越高，发生反应所需的活化能越小；

主要原因是温度的升高，会增加反应中的活化分子数目，有效碰撞的数目也会增加，发生化学反应的能垒减小，因而活化能减小。

（4）由

可以看出，盐酸的浓度增加，活化能减下。

盐酸为本反应的催化剂，虽然反应前后的物质量未变，但盐酸也参与了反应，它能够改变反应的途径，使反应的发生只需克服较低的能峰；

其浓度的增加，会使反应更容易进行，降低发生反应所需的活化能。

七、误差分析

（1）本实验中所用的旋光仪的读数灵敏度并不是很高，其数值并不是随着浓度的改变而连续地变化；

尤其是在浓度变化不快时，其读数更不准确（我在测量数据时，连续一分钟数值未发生变化，在刚刚读完数值时，读数跳跃性地变化了0.3）。

从曲线上可以看出，主要偏离线性关系的是最后几个测量点，而恰恰是在最后几个点处这种读数的迟钝非常明显。

仪器的这种跳跃变化是造成偏差的主要原因。

（2）本实验中，我们测量所得到的最终的溶液的旋光度可能其中的反应物并未完全反应。

为了精确测得的数值，应当尽可能反应较长的时间；

但是由于时间所限，我们只是在60℃水浴中反应了30min；

虽然旋光仪的读数不再变化，但是很有可能旋光度仍在微小地变化，只是仪器不够精准，无法测量到这些微小的变化。

（3）尽管在每次加入溶液前都会对装溶液的玻璃管洗涤三遍，但是仍可能有之前测量溶液的残余，这也会影响最终的测量结果

（4）本实验处理数据时，还要用到小组内其他同学的数据；

由于不同的仪器之间误差不同，而不同的人的操作方法也有差异。

因此，个别数据差异较大。

若一个人进行试验得到所有数据，最终的结果可能会更加准确。

八、对实验的体会和认识

（1）通过本实验，我进一步掌握了本学期所学到的关于反应动力学的知识，并且通过实验的方法验证了一级反应，并做了相关的计算，将理论与实验相结合。

（2）本实验的设计非常精巧。

通过易于测量的量——旋光度，巧妙地反映了溶液中反应物级产物浓度的变化，进而可以研究浓度与反应速率的关系。

尽管测定反应进程中某一时刻反应物或产物的浓度有物理法和化学法两种方式，但个人认为采用物理法往往更为方便，因为首先无需终止反应，只要找到合适的物理量即可；

并且，如果有比较精确的仪器，测量也更方便易行。

参考文献：

[1].傅献彩沈文霞姚天扬.物理化学.北京:

高等教育出版社,2006.

[2].崔献英柯燕雄单绍纯.物理化学实验.合肥:

中国科学技术大学出版社,2000.

数据处理：

原始数据见excel

1号台，低浓度蔗糖低浓度盐酸

图一：

30℃低浓度蔗糖+2MHCl的αt-t图

图二：

30℃低浓度蔗糖+2MHCl的ln（αt-α∞）-t图

图三：

40℃低浓度蔗糖+2MHCl的αt-t图

图四：

40℃低浓度蔗糖+2MHCl的ln（αt-α∞）-t图

反应条件

斜率

截距

k（min-1）

t1/2（min）

低浓度蔗糖2MHCl

30℃

-0.02518

1.424

0.02518

27.52

-0.875

3.279

40℃

-0.08984

1.417

0.08984

7.714

-0.715

3.410

T1（℃）

k1（min-1）

T2（℃）

k2（min-1）

Ea（J/mol）

低浓度糖

2MHCl

30

40

100295

2号台高浓度蔗糖高浓度盐酸

30℃反应速率常数为k=0.08296（/min）；

半衰期：

=8.35min

Ln（a0-a）=2.14429

所以a0=6.741

35℃反应速率常数为k=0.1589（/min）；

=4.36min

Ln（a0-a）=2.1949

所以a0=7.309

由阿累尼乌斯公式：

得该反应的活化能为：

Ea=100.952KJ/（mol）

3号台低浓度蔗糖高浓度盐酸

图一：

30℃低浓度蔗糖高浓度盐酸at—t

图二：

35℃低浓度蔗糖高浓度盐酸at—t

图三：

30℃低浓度蔗糖高浓度盐酸ln（at-a）—t

Equationy=a+b*x

WeightNoWeighting

ResidualSumofSquares0.00114

Pearson'

sr-0.99989

Adj.R-Square0.99977

ValueStandardError

ln（at-a）Intercept1.444780.00379

ln（at-a）Slope-0.001264.35352E-6

反应速率常数为k=0.00126（/s）；

=550.1s

Ln（a0-a）=1.44478

所以a0=3.356

图四：

35℃低浓度蔗糖高浓度盐酸ln（at-a）—t

ResidualSumofSquares0.00913

sr-0.99956

Adj.R-Square0.99906

ln（at-a）Intercept1.356360.01266

ln（at-a）Slope-0.002191.62914E-5

反应速率常数为k=0.00219（/s）；

=316.5s

Ln（a0-a）=1.35636

所以a0=3.142

Ea=85.866KJ/（mol）

4号台高浓度蔗糖低浓度盐酸

30℃高浓度蔗糖高浓度盐酸at—t

30℃高浓度蔗糖高浓度盐酸ln（at-a）—t

35℃高浓度蔗糖高浓度盐酸at—t

35℃高浓度蔗糖高浓度盐酸ln（at-a）—t

30摄氏度

[2014/11/217:

32"

/Graph1"

（2456963）]

LinearRegressionforData1_B:

Y=A+B*X

ParameterValueError

------------------------------------------------------------

A2.103419.84916E-4

B-3.82939E-47.9662E-7

RSDNP

-0.999950.0026527<

0.0001

K1=-3.82939*10-4

α0=6.38906

t1/2=1809.69s

35摄氏度

37"

A2.092130.002

B-7.56804E-41.69653E-6

-0.999940.0061426<

K2=-7.56804*10-4

α0=6.44715

t1/2=915.69s

Ea=105.822kJ/mol

100.295

105.822

85.866

100.952