Лабораторная работа №8 Изучение скорости инверсии сахара

Цель работы: изучить кинетику реакции инверсии тростникового сахара. Определить аналитическим и графическим путем среднюю константу скорости реакции.

Процесс инверсии сахара является гидролитическим расщеплением сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ на глюкозу и фруктозу:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆.

Глюкоза Фруктоза

Реакция бимолекулярна, поэтому скорость реакции V, которая определяется как

V= k∙С∙С.

Так как реакция протекает в избытке воды, поэтому концентрацию воды С можно считать постоянной, тогда

V= k´∙С (1)

Следовательно, скорость инверсии зависит только от концентрации сахарозы и реакция протекает как реакция первого порядка. Тогда константу скорости инверсии тростникового сахара можно расчитать как

k =, (2)

где С₀ – концентрация сахара в исходном растворе;

С_τ - концентрация сахара, прореагировавшего за время τ;

τ - время от начала реакции до момента измерения;

С₀ – С_τ - концентрация сахара в данный момент времени.

Катализатором реакции являются ионы Н⁺.

Оптические свойства растворов сахарозы. Тростниковый сахар и продукты его разложения (глюкоза, фруктоза) – оптически активные вещества, т.е. они способны изменять положение плоскости поляризации проходящего света. Их оптическая активность связана с наличием в молекуле асимметричных атомов углерода. Угол смещения называется углом вращения плоскости поляризации α. Его величина прямопропорциональна толщине слоя d раствора и концентрации в нем активного вещества С:

α = ±а∙С∙d,

где а – удельное вращение при С=1 г-экв/дм³ и d=1 дм; оно зависит от природы вещества, длины волны света, температуры и природы растворителя; а_{сахорозы} = 66,55º, а_{глюкозы} = 52,5º, а_{фруктозы}=-91,9º.

±- отвечают соответственно правому и левому вращению.

Смесь глюкозы и фруктозы вращает плоскость поляризации влево. По мере протекания инверсии α _τ уменьшается, затем становится отрицательной величиной и к окончанию реакции принимает постоянное значение α _∞.

В выражении для константы скорости (2) концентрации С₀ и С_τ можно заменить пропорциональными им разницами углов вращения:

k=

или k=,

где α₀– угол вращения в момент начала реакции,α_τ - угол вращения в данный момент времени,α_∞ - угол вращения, соответствующий окончанию реакции.

Значение α₀ практически определить не удается, т.к. от начала реакции до первого измерения проходит значительное время, поэтому его определяют экспериментально. Для этого строят график в координатахlg(α_τ - α_∞) =f(τ)и экстраполяцией полученной прямой доτ = 0определяютlg(α₀ - α_∞)и затем, вычисляютα₀, рис. 5.

lg(α_τ- α_∞)

lg(α₀- α_∞)

τ, мин.

Рис. 5. Графическое определение α₀

Принцип работы поляриметра см-3.

Колебания поляризованного света проходят только в одной плоскости. Плоскость, перпендикулярная плоскости колебания поляризованного луча, называется плоскостью поляризации. При проникновении поляризованного света через раствор оптически активного вещества плоскость поляризации вращается. Угол вращения данного раствора определяют с помощью поляриметра, рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная оптическая схема поляриметра

В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части хроматической фазовой пластинкой (5) поля зрения. Свет от лампы (1), пройдя через светофильтр (2), конденсатор (3) и поляризатор (4), одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку (5), защитное стекло (6), кювету (два покровных стекла (7), трубки (8, 9, 10, 11) и анализатор (12), а другой частью пучка только через защитное стекло, кювету и анализатор. Вид поля зрения поляризатора показан на рис. 7.

а) б) в)

Рис. 7. Положение нимба и поле зрения: а) при установке анализатора на равную яркость полей сравнения в чувствительном положении при введенной кювете, наполненной дистиллированной водой (нулевое положение); б) после ввода кюветы, наполненной раствором, и вторичной установки окуляра на резкость изображения линии раздела полей сравнения; в) при установке анализатора на равную яркость полей сравнения в чувствительном положении с кюветой, наполненной раствором

Определение нулевого отсчета производят с кюветой, наполненной дистиллированной водой. Вращением втулки наблюдательной трубки установить окуляр по глазу на резкое изображение линии раздела полей сравнения. После этого вращения ручку на передней панели поляриметра, повернуть анализатор и добиться равенства яркостей полей сравнения в чувствительном положении. При этом в поле зрения не должно наблюдаться окрашивания частей поля зрения и не должно быть заметно резкого выделения стороны хроматической фазовой пластиной. Если в поле зрения наблюдается окрашивание, то необходимо немного отжать покровные стекла кюветы.

Установку на равномерную яркость полей сравнения повторить пять раз со снятием отсчетов по шкале лимба и отсчетного устройства и вычислением среднего арифметического значения. Полученное значение является нулевым отсчетом.

Для определения угла вращения плоскости поляри­зации кювету с исследуемым раствором поместить в кюветное отделение поляриметра и закрыть крышкой. Затем установить втулкой окуляр наблюдательной трубки по глазу на резкое изображение линии раздела полей сравнения.

Плавным и медленным поворотом анализатора устано­вить равенство яркостей полей сравнения и снять отсчет следующим образом. Определить, на сколько градусов повернута шкала лимба по отношению к шкале первого отсчетного устройства, затем по штрихам первого и второго отсчетных устройств, совпа­дающим со штрихами шкалы лимба, отсчитать доли градуса. Величина отсчета по нониусу 0,02°.

Оцифровка отсчетного устройства: «10» соответствует 0,10°; «20» соответствует 0,20° и т. д.

К числу градусов, взятых по шкале лимба первого отсчетного устройства, прибавить средний арифметический отсчет по шкале первого и второго отсчетного устройства. Таких наводок сделать пять и взять среднее арифметическое из них. Из полученного среднего арифметического отсчета вычесть нулевой отсчет.

Пример 1. При определении нулевого положения с кюветой, наполненной дистиллированной водой, был получен результат 0,06°, а после ввода кюветы, наполненной исследуемым раствором, получен отсчет 3,56°. Разность в отсчетах между конечной и начальной установками равна углу вращения плоскости поляризации иссле­дуемого раствора: 3,56° —0,06° = 3,50°

Пример 2. После ввода кюветы, наполненной исследуемым раствором с левым вращением, был получен результат 357,14°. В этом случае нулевой отсчет следует принять равным 360,06°. Разность между конечным и нулевым отсчетом равна углу вращения плоскости поляризации исследуемого раствора:

357,14° — 360,06° = —2,92°