Работа № 12. Изучение скорости гидролиза тростникового сахара

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → С₆Н₁₂О_{6 (глюкоза)}+ С₆Н₁₂О_{6 (фруктоза)}

Эта реакция бимолекулярна и при сопоставимых концентрациях реагентов протекает как реакция второго порядка, однако в большом избытке воды (слишком велика разница в молекулярных массах компонентов) изменением последней можно пренебречь и скорость реакции описывается кинетическим уравнением первого порядка: .

Скорость инверсии сахара в нейтральной среде очень мала, но присутствие ионов водорода, как катализатора, ускоряет реакцию и делает ее доступной для наблюдения.

Тростниковый сахар и продукты его разложения принадлежат к числу оптически активных веществ, т. е. веществ, способных изменять положение плоскости поляризации проходящего через них поляризованного светового потока (светового потока, в котором колебания происходят в определенной плоскости). Оптическая активность таких веществ связана с наличием в их молекулах асимметричных атомов углерода. Угол поворота плоскости колебаний поляризованного луча называется углом вращения плоскости поляризации и обозначается α. Его величина прямо пропорциональна толщине слоя d и концентрации активного вещества с:

(4)

где α - коэффициент пропорциональности (постоянная поляризации или удельное вращение), который зависит от природы вещества, длины волны, температуры и природы растворителя.

Удельное вращение равно углу вращения (в градусах) в слое раствора толщиной 1 дм, содержащего 1 г вещества в 1 мл при 20°С, при определенной длине волны (например, при длине волны желтой линии спектра паров натрия 589,6 нм). Зная угол вращения, удельное вращение (см. справочник) и толщину слоя раствора, легко вычислить его концентрацию.

Скорость инверсии тростникового сахара удобно изучать по изменению со временем угла вращения плоскости поляризации исследуемого раствора. Тростниковый сахар вращает плоскость поляризации вправо (α=66.55^o), а смесь продуктов инверсии – влево, так как глюкоза вращает вправо (α=52.5^o), а фруктоза – влево (α=–91.9^o). Поэтому по мере протекания реакции угол вращения плоскости поляризации уменьшается, падает до нуля и затем становится отрицательным (инверсия вращения). Окончанию реакции соответствует предельное, неизменяющееся отрицательное значение угла вращения α_∞.

Для измерения угла вращения плоскости поляризации используются специальные оптические приборы – поляриметры. Чаще всего применяются так называемые полутеневые поляриметры (рис. 2).

Рис. 2. Схема поляриметра:

1 - источник света; 2 - светофильтр; 3 - поляризатор; 4 - поляриметрическая трубка; 5 - зеркало; 6 - лупа; 7 - окуляр; 8 - анализатор; 9 - указатель;10 – лимб

Поляризатор 3 состоит из двух призм Николя, причем меньшая по размерам призма прикрывает половину поля зрения. Плоскости поляризации этих призм находятся под некоторым углом друг к другу, поэтому поле зрения, рассматриваемое в окуляр 7, разделено на две части, отличающиеся по цвету и яркости освещения. Поляризатор неподвижен. Анализатор 8 (также призмы Николя) может вращаться вокруг оптической оси прибора. Вращением анализатора вокруг оси прибора можно достичь положения, при котором призмы Николя оказываются скрещенными и проходящий световой поток гасится. Если между поляризатором и анализатором расположен оптически активный раствор, то скрещенная призма уже не будет гасить проходящий световой поток, и для достижения темноты необходим дополнительный поворот анализатора на некоторый угол. В полутеневом поляриметре положение плоскости поляризации светового потока определяется не по затемнению в окуляре прибора всего поля зрения, а по наступлению равной слабой освещенности (установка на полутень). В других положениях анализатора поле зрения в окуляре резко разделено на две части по освещенности или все освещено ярко. Такое устройство обеспечивает более высокую точность измерений, так как чувствительность глаза к различию в освещенности значительно выше, чем к установлению полного затемнения. Если полутеневое положение найдено правильно (рис. 3, б), то малейший поворот анализатора вправо (рис. 3, а) или влево (рис. 3, в) нарушает равномерность освещения вплоть до резкого контраста в освещенности обеих половин поля зрения. При отсутствии поляриметрической трубки в желобке поляриметра полутеневое положение должно соответствовать нулю по шкале (нулевое положение поляриметра).

Для получения параллельных пучков светового потока в приборе имеется система линз. Источником светового потока служит электрическая лампа. В белом световом потоке определению равной освещенности полей мешает разноцветность (вращательная дисперсия). Поэтому пользуются примерно монохроматическим световым потоком, употребляя светофильтр. Угол поворота анализатора отсчитывается по шкале (лимбу), движущейся при его вращении и неподвижному нониусу с точностью до десятых долей градуса. Отсчеты производятся следующим образом. Число целых градусов определяют по последнему делению шкалы, которое оказывается слева от нуля (центральной метки) нониуса; десятые доли градуса определяют на правой части шкалы нониуса по делению, совпадающему в данном положении с каким-либо делением основной шкалы лимба. Так отсчитывают положительные углы вращения. Например, на рис. 4 угол вращения соответствует 20,3°. При вращении анализатора в противоположную сторону отсчитывают отрицательные углы вращения. Десятые доли градуса определяются по делениям в левой части шкалы нониуса. Для удобства наблюдений и измерений, связанных с освещенностью, поляриметр закрывают черным чехлом.

Последовательность выполнения работы. В колбу пипеткой или мерным цилиндром отобрать 10 мл 20 масс.% раствора сахарозы и туда же влить 10 мл H₂SO₄ заданной концентрации. Раствор кислоты готовить разбавлением из 10 н. H₂SO₄. Момент сливания кислоты с раствором сахара отметить по часам как время начала реакции. Смесь тотчас же тщательно перемешать и быстро влить в хорошо вымытую поляриметрическую трубку, предварительно сполоснув ее дистиллированной водой и два раза небольшим количеством исследуемого раствора. При наполнении трубки нужно следить за тем, чтобы в нее не попал воздух, так как пузырьки воздуха вызывают в поле зрения появление темных пятен. Чтобы быстро заполнить трубку без пузырьков воздуха, предварительно нужно научиться заполнять ее водой. Трубку наполнить до краев, чтобы жидкость образовала выпуклый мениск, затем осторожно сбоку надвинуть покровное стеклышко и навинтить кольцо, прижимающее стекло к торцу трубки. При этом проверить также, не подтекает ли трубка (не образуется ли пузырьков воздуха через некоторое время после заполнения). Наполненную трубку обтереть снаружи фильтровальной бумагой, обратив особое внимание на чистоту, сухость и прозрачность стекол, закрывающих торцы трубки, и поместить в желобок поляриметра в крайнее положение, ближайшее к окуляру.

Отсчеты следует проводить только после получения четкого изображения шкалы и поля зрения при вращении соответствующей муфты на зрительной трубке поляриметра. Все измерения проводить при комнатной температуре с обязательной записью ее до и после опыта. Угол вращения определяется по полутеневому положению поляриметра через различные промежутки времени от начала реакции. Изменения проводят каждую минуту, пока угол вращения изменяется более чем на 1^о, затем переходят к 2-, 3- и 5-минутным интервалам до получения первого отрицательного значения. При этом записывать показание шкалы прибора и соответствующее ему время по часам. Все определения следует проводить по возможности быстро.

После этого залить в поляриметрическую трубку готовый раствор, в котором реакция прошла до конца и определить α_∞

Результаты наблюдений свести в таблицу по образцу:

Температура опыта……………; концентрация H₂SO₄……………

По результатам опыта вычислить константу скорости реакции при данной температуре для каждого момента времени, кроме t=0 и t=∞, по уравнению реакции первого порядка, в которое вместо концентраций можно подставить пропорциональные им разности соответствующих углов вращения:

(5)

где α₀ - угол вращения в момент начала реакции; α_t - угол вращения в данный момент от начала реакции; α_∞ - угол вращения, соответствующий концу реакции, t - время, протекшее от начала реакции до момента данного измерения.

Все значения углов вращения подставлять в уравнение с соответствующими знаками: α_∞ имеет отрицательный знак, следовательно, эту величину нужно суммировать с величиной α₀. Угол α₀, соответствующий моменту начала реакции, практически измерить не удается, так как от начала реакции до первого измерения проходит значительное время, поэтому α₀ определять экстраполяцией по графику в координатах (рис. 5) до t=0 определить , а затем найти .

Кроме этого, рассчитать константу скорости k_ср по времени полупревращения для реакции первого порядка и найти её графически как тангенс угла наклона к прямой в координатах . Сравнить значения констант, найденных различными способами.