Физическая химия. Основы катализа методические указания для студентов направления 18.03.02 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

(10)

α-D-глюкоза β-D-глюкоза

Угол вращения плоскости поляризации α прямо пропорционален толщине слоя d и концентрации активного вещества С.

[α] – постоянная поляризации, которая зависит от природы вещества, длины волны, температуры и природы растворителя, выражается в градусах.

По мере установления равновесия в системе между формами 1 и 3 изменяется угол вращения, который пропорционален концентрации этих веществ в системе. Скорость мутаротации можно изучать по изменению угла вращения плоскости поляризации, поскольку все вещества в смеси являются оптически активными. На этом свойстве основан метод, который позволяет определить константы скорости реакции мутаротации. Для определения угла плоскости поляризации используют поляриметры [3].

Константа скорости реакции определяется по уравнению первого порядка, т.к. протекает в большом количестве воды, концентрация которой не изменяется во времени. Тогда расчёты можно вести по константе для уравнения первого порядка.

где C° – исходная концентрация D-глюкозы; Сх – концентрация D-глюкозы в момент времени τ. Вместо концентраций в это уравнении можно подставить пропорциональные им разности соответствующих углов вращения.

Угол вращения α пропорционален концентрации растворенных веществ. Например, пусть угол вращения в начальный момент времени α0, после окончания мутаротации α∞ и в данный момент времени ατ. Поскольку от начального момента до конечного угла ατ, от начального угла вращения он изменится на величину (α0 – α∞). В момент времени τ угол вращения будет равен (ατ – α∞). Подставим эти значения в уравнение (12) и получим:

21

Построим график ln (ατ – α∞) – kτ или 2,3 lg (ατ – α∞) – kτ для разных температур (рис. 3).

По тангенсу угла наклона к оси абсцисс с учетом масштаба определяют константы скорости.

Рис. 3. Определение константы (kбез кат и k с кат) графическим методом

По графику (см. рис. 3) можно определить α0. Для этого продлеваем эти прямолинейные зависимости до пересечения с осью ординат и находим ln (ατ – α∞), затем ατ в момент времени τ = 0, т. е. α0.

По тангенсу угла наклона к оси абсцисс с учётом выбранного масштаба определяют константы скорости реакции без катализатора kбез кат и с ка-

тализатором kс кат.

Предполагая, что действие катализатора пропорционально его концентрации Скат, получаем:

Из этого уравнения вычисляют каталитический коэффициент α.

Экспериментальная часть

Цель работы: 1. Определить каталитический коэффициент α. 2. Вычислить угол вращения D-глюкозы в начальный момент времени α0.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы отвешивают на технических весах две навески D-глюкозы по 2,5 г. Одну из них вносят в мерный стакан и добавляют

22

туда 25 мл дистиллированной воды. Отмечают момент полного растворения. Время, среднее между началом и концом растворения навески, принимается за момент начала реакции. Раствор наливают в поляриметрическую трубку, чтобы не было пузырьков воздуха. Поэтому трубку заполняют раствором до краёв, чтобы жидкость образовывала выпуклый мениск, затем сбоку надвигают покровное стекло и завинчивают штуцер. Стекло протирают фильтровальной бумагой, помещают в жёлоб поляриметра и через определённые промежутки времени (табл. 2) замеряют угол вращения плоскости поляризации. В этой трубке реакция будет идти при комнатной температуре (примерно 20 ºС). Остатки раствора наливают в колбу с притёртой пробкой и помещают в термостат с температурой 40 ºС, где выдерживают в течение всего опыта для определения конечного угла вращения α∞ реакции мутаротации.

Таким же образом поступают со второй навеской, которую растворяют не в воде, а в таком же количестве 0,1 N HCl. Частью этой смеси заполняют поляриметрическую трубку, где будут замерять ατ при комнатной температуре. Остатки помещают в колбу с притёртой пробкой и ставят в тот же термостат и выдерживают до окончания опыта, здесь также определяют конечный угол вращения реакции мутаротации в присутствии катализатора α∞. Данные заносят в табл. 2.

После получения результатов определяют константы скорости графическим путём и вычисляют каталитический коэффициент α по форму-

ле (16).

В заключение делают вывод о влиянии катализатора на мутаротацию D-глюкозы.

23

Библиографический список

1.Афанасьев, Б. Н. Физическая химия / Б. Н. Афанасьев. – СПб.: Лань, 2011. – 201 с. В электронном виде.

2.Стромберг, А. Г. Физическая химия: учебник для хим. спец. вузов / А. Г. Стромберг, Д. П. Семченко. – М.: Высш. шк., 2009. – 527 с.

3.Шабанова, И. П. Физическая химия. Химическая кинетика: метод. указания / И. П. Шабанова. – СПб.: СПбГЛТА, 2010. – 36 с.

24