Лабораторная работа

Тема:	Определение константы скорости инверсии сахара
Цель работы:	определять константу скорости инверсии сахара с помощью поляриметра В результате выполнения работы студенты должны уметь: - производить измерения на поляриметре; - составлять кинетическое уравнение для реакции первого порядка; - составлять график зависимости ln(α–α∞) от времени t. должны знать: - определение «скорость химической реакции»; - устройство поляриметра; - стадии реакции инверсии сахара.
Приборы, материалы и инструмент	раствор сахара, поляриметр.
Порядок выполнения лабораторной работы	1. Произвести измерения угла вращения плоскости поляризации. 2. Построить график зависимости ln(α–α∞) от времени t. Записать полученные данные в таблицу. Ответить на контрольные вопросы. Подготовить отчет и приготовиться к защите лабораторной работы.

Теоретическая часть

Часто реакции с участием нескольких веществ описываются кинетическим уравнением реакции первого порядка

υ = − dc

Указанный случай реализуется при избытке одного или нескольких

компонентов, когда в процессе реакции их концентрация остается постоянной и включается в константу скорости реакции. Примером такой реакции является гидролиз (инверсия) сахарозы, которая происходит в кислой среде (ионы Н+ – катализатор); продуктами реакции являются глюкоза и фруктоза:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆.

Установлено, что эта реакция включает две стадии. Первая – протонирование сахарозы, протекает быстро, её продукт находится в равновесии с исходными веществами.

Вторая стадия – гидролиз протонированных молекул сахарозы – медленная и является лимитирующей.

Поскольку концентрация воды существенно превышает концентрацию сахарозы, в реакцию вступает незначительная часть воды, поэтому концентрацию воды можно считать постоянной. Так как катализатор – ионы Н+ – не расходуются, const. H = + c

Необходимо учитывать, что k зависит от концентрации кислоты, так как в её величину входит концентрация ионов водорода.

Интегрируя уравнение после несложных преобразований получаем зависимость концентрации во времени

ln c = ln c₀ − kt

где с₀ – начальная концентрация сахарозы при t = 0. Следовательно, если реакция имеет первый порядок, то логарифм концентрации линейно уменьшается во времени.

Уравнение позволяет определить константу скорости реакции путем измерения концентрации во времени.

Концентрацию можно измерять любыми возможными способами.

Особенно удобны физико-химические методы измерений, когда измеряется какое-либо свойство системы, однозначно зависящее от концентрации. Для изучения инверсии сахарозы применяют поляриметрический метод.

Луч света, как частный случай электромагнитной волны, имеет электрическую и магнитную составляющие, характеризующиеся взаимно перпендикулярными векторами соответственно электрического и магнитного полей. Если колебания каждого из векторов происходит в определённой плоскости, то такой свет называется поляризованным. Вещества, которые вращают плоскость поляризации света, называются оптически активными.

Сахароза, глюкоза и фруктоза являются оптически активными веществами, их растворы вращают плоскость поляризации света. Оптическая активность характеризуется удельным вращением, равным углу вращения в слое раствора толщиной 1 дм, содержащего 1 г вещества в 1 мл раствора.

Угол вращения раствора оптически активного вещества пропорционален концентрации. Удельное вращение сахарозы, глюкозы и фруктозы составляет соответственно 66,55°, 52,5° и –91,9°, т.е. сахароза и глюкоза вращают плоскость поляризации вправо, фруктоза – влево. В ходе реакции угол вращения α является функцией непрерывно изменяющихся концентраций всех трех углеводов. Следовательно, по мере протекания реакции инверсии правое вращение постепенно уменьшается и становится левым. Поскольку смесь продуктов реакции оптически активна, концентрация сахарозы в любой момент времени пропорциональна углу вращения, отсчитанному относительно угла вращения продуктов реакции α∞ после завершения последней, т.е. величине (α – α∞.).

Угол вращения плоскости поляризации растворами измеряется с помощью поляриметра СМ-3, представляющий собой трубу, на концах которой расположены основные узлы прибора: поляризатор и анализатор. Неподвижный поляризатор состоит из нескольких так называемых призм Николя и выделяет из неполяризованного пучка света, создаваемого осветителем, только лучи, поляризованные в одном направлении. Анализатор является призмой Николя, расположенной на одной оптической оси с поляризатором, но способной вращаться вокруг этой оси. Анализатор пропускает лишь свет, поляризованный в определённой плоскости. Вращением ручки анализатора его можно установить в такое положение, когда прошедший через поляризатор свет гасится, а поле зрения в окуляре поляриметра равномерно слабо освещено. Это положение при отсутствии между поляризатором и анализатором оптически активной среды принимается за нулевое.

Если в трубу поместить трубку с оптически активным раствором, то вследствие вращения плоскости поляризации раствором анализатор необходимо повернуть на некоторый угол, чтобы прошедший через раствор поляризованный свет гасился. Вместе с поляризатором вращается и лимб со шкалой, разделённой на 360°, перемещающейся относительно двух диаметрально расположенных вспомогательных шкал, называемых нониусом, позволяющим измерять угол вращения с точностью 0,02°.

Отсчёт производится на правой шкале лимба следующим образом. Число целых градусов (а возможно, и 0,5°) отсчитывается на шкале лимба до нулевого деления нониуса. К полученному числу прибавляется величина, соответствующая делению нониуса, совпадающему с любым делением лимба. Рисунок соответствует углу вращения 3,52°.