ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ГИДРОЛИЗА САХАРОЗЫ Курлаева А.А., Тышкевич

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ГИДРОЛИЗА САХАРОЗЫ
Курлаева А.А., Тышкевич А.В.
Московский государственный областной социально-гуманитарный институт,
факультет математики, физики, химии, информатики
Коломна, Россия
STUDY OF THE REACTION OF THE KINETICS OF HYDROLYSIS SACCHAROSE
Kurlaeva A.A., Tyshkevich A.V.
Moscow region state institute of humanities and socia studies,
faculty of mathematics, physics, chemistry, informatics
Kolomna, Russia
С исследованиями кинетики химических реакций связаны важнейшие направления
современной химии и химической промышленности: стимулирование полезных, торможение
и подавление нежелательных химических реакций; изучение поведения химических
продуктов, материалов и изделий из них в различных условиях применения и т.д.
Цель исследования: определить константу скорости реакции гидролиза сахарозы и
ее зависимость от температуры.
Оборудование и посуда:
электрическая плитка,
сахариметр универсальный (СУ -5),
3 конические колбы вместимостью 100 мл,
водяная баня,
мерный цилиндр
вместимостью 50 мл, термометр, термостат.
Реактивы: 20% масс. раствор сахарозы (C12H22O11), 4 М раствор соляной кислоты
(HCl).
Скорость реакции – изменение количества вещества в единицу времени и в единице
реакционного пространства:
=±
C12H22O11 + H2O → C6H12O6( глюкоза) + C6H12O6 (фруктоза)
Гидролиз
сахарозы
протекает
по
уравнению
реакции,
которая
является
псевдомолекулярной, то есть она бимолекулярная по своему механизму, но подчиняется
кинетическому уравнению для реакции первого порядка, так как ее скорость зависит только
от концентрации сахарозы. Скорость гидролиза сахарозы в нейтральной среде очень мала.
Реакция ускоряется в присутствии сильных кислот.
Константа скорости реакции может быть рассчитана по следующему уравнению:
=
С
С
∆С
,
где С0 – начальная концентрация сахарозы;
ΔС – изменение концентрации сахарозы за время τ.
Сахароза и продукты ее гидролиза имеют ассиметрический атом углерода и являются
оптически активными, способными вращать плоскость поляризации.
Угол вращения плоскости поляризации α зависит от концентрации раствора. Водные
растворы сахарозы и глюкозы вращают плоскости поляризации вправо, а раствор фруктозы
влево. Угол вращения смеси - величина аддитивная, т.е., равен сумме углов вращения
отдельных веществ.
По мере протекания гидролиза сахарозы в растворе α уменьшается до нуля и
становится отрицательным, то есть правое вращение меняется на левое, поэтому данную
реакцию называют инверсией (обращением).
Ход работы:
Определение α0 – угла вращения в начальный момент времени.
1) Поляриметрическую кювету освобождают от воды, несколько раз
ополаскивают и заполняют отфильтрованным раствором сахарозы (раствор 1).
2) Заполненную кювету помещают в поляриметр и измеряют угол вращения
αʹ0, а α0= αʹ0/2, так как при определении ατ раствор сахарозы разбавляется в два раза.
Определение ατ – угла вращения в данный момент времени.
1) В сухую коническую колбу вместимостью 100 мл наливают 50 мл раствора
сахарозы и 50 мл раствора HCl и перемешивают (раствор 2). Момент смешивания – время
начала реакции – отмечают по часам с точностью до 1 мин. Этому времени соответствует α0.
2) Кювету, освобожденную от раствора сахарозы, промытую водой и
раствором 2, заполняют раствором 2. Через заданные интервалы времени (в начале реакции
через 5-10 мин, в конце – через 20 мин) измеряют угол вращения ατ.
Определение α∞ - угла вращения после окончания реакции.
1) Инверсия сахаразы при комнатной температуре даже в присутствии
катализатора – Н+ ионов заканчивается более чем за сутки. Поэтому оставшийся раствор 2
нагревают на водяной бане при 60°С в течение 30 мин, затем охлаждают.
2) Этим раствором ополаскивают, а затем заполняют поляриметрическую
кювету. Измеряют угол вращения α∞, величина которого должна быть отрицательной.
α0 - α∞ - начальная концентрация сахарозы;
α0 - ατ – количество сахарозы, прореагировавшее за время τ.
ατ - α∞ - концентрация непрореагировавшей сахарозы в данный момент времени.
Константа скорости вычисляется по формуле:
(
−
)=
(
−
=
;
)−
Опыт 1: Определение константы скорости реакции гидролиза сахарозы t=27ºC
α0= 22,50; α∞= -12,30; α0 - α∞=34,80
№
опыта
1
2
3
4
5
6
Время от начала
реакции, τ, мин
ατ
ατ - α∞
k, мин-1
ln(ατ - α∞)
10
19,00
31,30
3,44
0,106
0,011
15
15,70
28,00
3,33
0,217
0,015
25
11,70
24,00
3,17
0,372
0,015
40
6,70
19,00
2,94
0,605
0,015
55
3,50
15,80
2,76
0,789
0,014
75
-4,90
7,40
2,00
1,548
0,021
Согласно проведенному Q-тесту значение k6 является грубым промахом и исключено
из дальнейших расчетов.
Статистическая обработка данных проведена в соответствии с распределением
Стьюдента. Итоговый результат: при температуре 27ºC k=0,014±0,002мин-1.
Графически константа скорости определяется
как тангенс угла наклона прямой
ln(ατ - α∞) =f (τ).
=
=
=
0,8
= 0,015
52
Рис.1. График зависимости ln(ατ - α∞) от времени при t =27 0С
Опыт 2: определение константы скорости реакции гидролиза сахарозы t=38ºC
α0= 18,63; α∞= -11,40; α0 - α∞=30,03
№
опыта
Время от начала
реакции, τ, мин
ατ
ατ - α∞
ln(ατ - α∞)
1
2
3
4
5
5
9
13
17
21
13,68
10,88
8,60
5,65
-4,78
25,08
22,28
20,00
17,05
6,62
3,22
3,10
3,00
2,84
1,89
−
−
0,180
0,299
0,406
0,566
1,512
k, мин-1
0,036
0,033
0,031
0,033
0,072
Согласно проведенному Q-тесту значение k5 является грубым промахом и исключено
из дальнейших расчетов.
Статистическая обработка данных проведена в соответствии с распределением
Стьюдента. Итоговый результат: при температуре 38ºC k=0,033±0,002мин-1
Построив график зависимости ln(ατ - α∞) от
времени, определили константу скорости
по тангенсу угла наклона прямой:
k=
=
=
,
,
= 0,033
Рис.2. График зависимости ln(ατ - α∞) от времени при t =380С
Т.о., при обеих температурах графически найденные константы скорости равны
расчетным
Расчет энергии активации
=
; EA = 55682 Дж/моль
Расчет температурного коэффициента реакции:
(
Правило Вант-Гоффа:
=
)
Отсюда γ = 2,18
Таким образом, при выполнении данной работы для реакции гидролиза сахарозы
определены константы скорости: при температуре 27ºC
k=0,014±0,002мин-1; при
температуре 38ºC k=0,033±0,002мин-1 ; рассчитана энергия активации: EA = 55682 Дж/моль;
рассчитан температурный коэффициент: γ = 2,18.
Литература:
Гельфман М.И. Практикум по физической химии. - СПб.: Лань, 2004.