Работа 14. Определение константы скорости инверсии сахарозы.

Реакция инверсии сахарозы протекает по уравнению

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

сахароза глюкоза фруктоза

При избытке воды скорость этой бимолекулярной реакции зависит только от концентрации сахарозы, т.е. реакция является псевдомономолекулярной, идет до конца и описывается кинетическим уравнением первого порядка (7.5).

Если число молей сахарозы в единице объема, прореагировавших к моменту времени t, обозначить х, то концентрация сахарозы в растворе будет равна С₀-х, и уравнение (7.5) примет вид

(7.23)

Константа скорости реакции k₁в соответствии с уравнением (7.6) будет определяться соотношением:

(7.24)

Сахароза, фруктоза и глюкоза являются оптически активными веществами, и их концентрацию в ходе реакции определяют по изменению оптической активности раствора.

Оптическая активность характеризуется удельным углом вращения [α], который равен углу вращения плоскости поляризации при прохождении луча света через раствор с толщиной слоя l = 10 см и концентрацией С = 1 г/мл при 20° С. Угол вращения плоскости поляризации раствора произвольной концентрации С определяется соотношением: α = [α]С1.

Водные растворы сахарозы и глюкозы вращают плоскость поляризации вправо ([α]_{сахарозы} = +66,55⁰, [α] _{глюкозы} = +52,5°),а раствор фруктозы - влево ([α] фруктозы =-91,9°). По мере протекания реакции угол вращения уменьшается до нуля и становится отрицательным, т.е. правое вращение сменяется на левое. Окончанию реакции соответствует предельное значение угла вращения

 

 

Рис.7.2 а) Вращение плоскости поляризации света при прохождении через оптически активное вещество.

б) Схема поляриметра: 1 - источник света, 2 - монохроматор, 3 - щель, 4 -поляризатор, 5 - кювета с раствором, 6 - анализатор, 7 - окуляр,

I - зрительное поле окуляра до введения пробы, II - после введения пробы, III - то же после компенсации.

Значения концентраций в уравнении (7.24) можно выразить через α:

, , и тогда (7.25)

где α₀- угол вращения раствора сахарозы концентрации С₀, α_t - угол вращения реакционной смеси в момент времени t

Для измерения угла вращения плоскости поляризации света пользуются специальными приборами - поляриметрами. Важнейшая область применения поляриметрии, особенно в пищевой и фармацевтической промышленности -определение концентрации растворов оптически активных веществ.

Цель работы: методом поляриметрии определить константу скорости инверсии сахарозы и период полупревращения сахарозы t_1/2.

Порядок работы:

1. Приготовить раствор сахарозы концентрации 0,3 моль/л.

2. Определить угол вращения исходного раствора α₀. Для этого

а) вынуть из прибора кювету для растворов и с помощью зеркала поляриметра добиться хорошей освещенности зрительного поля окуляра;

б) найти нулевое положение анализатора, при котором достигается равномерная освещенность обеих частей поля окуляра (см. рис.7.2.аI);

в) заполнить кювету раствором сахарозы до образования выпуклого мениска, осторожно накрыть стеклом так, чтобы не образовалось пузырьков воздуха и завинтить крышку кюветы; осушить кювету фильтровальной бумагой и протереть стекла, закрывающие ее концы;

г) поместить кювету в поляриметр, при этом равномерная освещенность обеих частей поля окуляра нарушится (рис.7.2.бII). Вращением анализатора вновь добиться равной освещенности поля и отсчитать показания по шкале нониуса. Отсчет α₀ произвести 3-4 раза.

Отсчет показаний по шкале нониуса. На неподвижной верхней шкале вправо и влево от нуля нанесено 20 делений, цена деления 1°. На подвижной шкале с обеих сторон от нуля нанесено по 10 делений с ценой деления 0,1°. Пример отсчета показаний угла вращения по шкале нониуса показан ниже.

3. Приготовить реакционную смесь: к 10 мл сахарозы добавить 5 мл раствора HCI концентрации 6 моль/л. В момент смешения включить секундомер. Этому моменту соответствует угол вращения раствора α₀. Быстро перелить смесь в кювету поляриметра и через каждые 2-3 минуты производить измерение угла вращения α_t. Результаты измерений записывать в таблицу 7.5.

4. Рассчитать начальный угол вращения α₀, по формуле

α _o = α ₀’ V (7.26),

где V - объемная доля сахарозы. Обозначая V_c - объем раствора сахарозы и V_K - объем раствора кислоты, величину V можно определить по формуле

V=V_C / (V_C+V_K).

5. Определить α_∞.Так как для экспериментального нахождения α_∞ реакцию необходимо провести до конца, что требует достаточно большого времени, угол вращения продуктов полного гидролиза сахарозы рассчитывают по формуле:

α_∞ = α₀ ([α_г] М_г + [α_ф] М_ф) / [α_с] M_c (7.27)

где М_г, Мф, М_с - молекулярные веса глюкозы, фруктозы и сахарозы, соответственно; [α_г], [α_ф], [α_c] - их удельные углы вращения. После подстановки их значений (+52,5°, -91,9° и +65,55°, соответственно) в формулу (7.27) получаем

α_∞ = -0,311α₀ (7.27')

 

6. По формуле (7.25) рассчитать константу скорости реакции k₁. Построить график зависимости k₁ от t и определить в каком интервале времени значение k₁ остается постоянным (k_1ср).

7. По формуле (7.7) определить период полупревращения сахарозы t_1/2. Результаты вычислений записать в таблицу 7.5.

Таблица7.5 Определение константы скорости реакции инверсии сахарозы.

t⁰ опыта................... ……………… V………………………..

α’₀...........,.............,……….. α_{0ср……………………………}

α_o............................ ………............. α_{∞…………………………….}

 

t, мин	αt	α0-α∞	αt-α∞	ln(α0-α∞)/(αt-α∞)	k1	k1ср
……
t1/2=..…

Контрольные вопросы

Перед началом работы

1. Расскажите устройство и принцип действия поляриметра.

2. Что называют удельным углом вращения?

3. Как определить предельный угол вращения α_∞?

4. Каков порядок выполнения работы?

К защите

1. Какие вещества являются оптически активными? Укажите, какие атомы в структуре гексоз являются ассиметрическими.

2. Запишите уравнение реакции инверсии сахарозы. Почему эта реакция является мономолекулярной?

3. Дайте определение молекулярности и порядка реакции.

4. Запишите кинетическое уравнение реакции первого порядка. Каков физический смысл константы скорости реакции?

5. Что такое период полупревращения вещества и как можно его определить из экспериментальных данных?

 

ПРИЛОЖЕНИЕ