Работа 10 Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы (тростникового сахара)

Реакция гидролиза сахарозы протекает с образованием глюкозы и фруктозы:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O  C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆ (124)

сахароза глюкоза фруктоза

глюкоза фруктоза

Реакция бимолекулярная. Поскольку молярная концентрация воды в водном растворе во много раз больше чем сахарозы, то ее изменение в процессе реакции будет незначимым по сравнению с изменением концентрации сахарозы. Поэтому скорость реакции гидролиза сахарозы будет пропорциональна практически только молярной концентрации сахарозы и кинетическим уравнением реакции будет уравнение реакции первого порядка.

Обозначим:

a – молярная концентрация сахарозы в реагирующей смеси в момент времени t = 0, моль/дм³;

х – молярная концентрация глюкозы или фруктозы в последующие моменты времени t, моль/дм³.

Тогда кинетическое уравнение реакции:

, (125)

где k – константа скорости реакции, с^-1;

t – время протекания реакции, с.

Реакция гидролиза сахарозы в водном растворе практически не идет. Её катализируют ионами водорода, добавляя в раствор сахарозы раствор сильной минеральной кислоты. Реакция очень удобна для изучения, так как сама сахароза и продукты гидролиза обладают асимметрическим атомом углерода и являются оптически активными. Поэтому за ходом данной реакции легко следить при помощи прибора – поляриметра (или сахариметра), принцип работы которого основан на применении поляризованного света.

1 Поляризация излучения

Излучение, имеющее длину волны от 350 до 900 нм (видимая область спектра) называют светом.

При распространении световой волны вектор напряженности электромагнитного поля обычно колеблется по всевозможным направлениям, перпендикулярным к линии распространения светового луча. Однако при определенных условиях направления этих колебаний становятся параллельными друг другу – в этом случае говорят, что свет плоско поляризован. Согласно электромагнитной теории распространения света магнитное возмущение происходит в плоскости поляризации, а электрическое возмущение – под прямым углом к магнитному. Для упрощения схемы рассмотрения колебаний в поляризованном луче совместим все параллельные плоскости в одну. Если луч естественного (неполяризованного) света пропустить через кристалл исландского шпата по направлению его кристаллографической оси, то он расщепляется на два луча, причем оба становятся плоско поляризованными, а плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны. Каждый из этих лучей может быть снова раздвоен при прохождении через кристалл исландского шпата и так далее.

При определении показателя преломления этого кристалла изучали прохождение через него излучения возбужденного атома натрия (натриевая линия D). Для каждого из двух лучей было найдено, что для одного из них (называемого обыкновенным лучом) показатель преломления имеет постоянное значение, равное 1.658, а для другого (называемого необыкновенным лучом) показатель преломления изменяется в диапазоне от 1.486 до 1.658 в зависимости от направления, по которому луч распространяется в кристалле.

Оба луча (обыкновенный и необыкновенный) можно отделить друг от друга при помощи призмы Николя. Эту призму, для краткости называемую просто николем, изготавливают следующим образом: ромбический кристалл исландского шпата распиливают по плоскости, проходящей через вершины его тупых углов и делящей кристалл на две симметричные части; затем плоскости полируют и склеивают опять в одно целое при помощи канадского бальзама.

На рисунке 10.1 изображена плоскость сечения кристалла ABCD. Прямая линия AO показывает направление оптической оси кристалла; луч PQ при входе в кристалл у поверхности AD преломляется; преломленный луч оказывается наклоненным к оптической оси под углом около 75 , причем необыкновенный луч испытывает меньшее отклонение вследствие меньшего показателя преломления и проходит по направлению PQRS. Так как обыкновенный луч имеет больший показатель преломления, то он отклоняется по направлению QX и встречается с плоскостью AC под большим углом, чем необыкновенный луч.

Рисунок 10.1 – Схема прохождения света через призму Николя.

Канадский бальзам имеет показатель преломления, значение которого находится между показателями преломления исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей. А так как обыкновенный луч встречается с плоскостью AC под углом, который больше предельного угла преломления, то он испытывает полное внутреннее отражение и выходит из кристалла по направлению XT и затем поглощается зачерненной обоймой кристалла.

Таким образом, николь разделяет на две части падающий на него свет, а вышедший через грань BC луч оказывается плоско поляризованным. Если этот луч падает на второй николь, поставленный также как и первый, то поляризованный луч пройдет через него. Если же второй николь повернут на 90 , то поляризованный свет претерпевает полное внутреннее отражение и выходит через боковую грань; в результате указанный луч не пройдет через второй николь. При повороте второго николя на угол меньший 90  плоско поляризованный луч разделяется вторым николем на два луча, и только один из них пройдет через призму. Таким образом, при повороте второго николя в любом направлении на 180  интенсивность света, прошедшего через эту призму, уменьшается от максимального значения до нуля, а затем снова возрастает от нуля до прежнего значения.

Если николи перекрещены, то есть они взаимно ориентированы так, что через второй николь свет не проходит, то при введении определенных веществ между двумя николями часть излучения проходит через второй николь. Вещества, обладающие указанным свойством, называют оптически активными и говорят, что они вращают плоскость поляризации. В подобных случаях первый николь, из которого выходит поляризованный луч, называется поляризатором, а второй николь, позволяющий определить поляризован ли падающий на него свет – анализатором.

При введении между скрещенными николями оптически активного вещества свет может быть снова потушен путем поворота анализатора на небольшой угол. В одних случаях этот поворот приходится производить вправо, а в других влево. Соответственно, этим поворотам вращение плоскости поляризации называют правым или левым. Если свет потухает при вращении анализатора вправо на 15 , то тот же эффект может наблюдаться в результате вращения анализатора влево на 165 ; однако при определении направления вращения имеется всегда в виду меньший из двух углов поворота.

Значение угла вращения плоскости поляризации зависит от природы вещества, от толщины взятого слоя, от длины волны примененного света, от температуры, а в случае растворов – дополнительно от концентрации растворенного вещества и от природы растворителя.