Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы

Работа №9

Поляризация света. В начале XIX века, когда Т.Юнг и О.Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO₃) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис.9.1)

Рисунок 9.1. Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, что поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл.

Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления для двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи. Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

В 1809 году французский инженер Э.Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ (рис.9.2).

Рисунок 2. Иллюстрация к закону Малюса.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos² φ:

I ~ cos² φ.

У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн и частично пропускает вторую волну. Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света, так и для анализа характера поляризации света ( поляризатор и анализатор ).

Линейно-поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т.п.), неполяризован. Свет таких источников состоит в каждый момент из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Неполяризованный свет называют также естественным светом.

Поляририметрия -метод исследования, основанный на измерении степени поляризации света или оптической активности, т.е. величины вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества. Величина такого вращения в растворах зависит от их концентрации. Поэтому поляриметрию широко используют для измерения концентрации оптически активных веществ. Угол вращения a зависит от ряда факторов:

- типа вещества, имеющего характерный угол вращения

- концентрации оптически активного вещества

- длины кюветы

К оптически активным веществам относятся, в частности, сахароза и продукты ее гидролиза глюкоза и фруктоз. Угол вращения при концентрации вещества 1г/мл, длине трубки 10 см, температуре 20⁰С и желтом свете с длиной волны 589,3 нм составляет для этих веществ +66,55, +52,5 и -91,9⁰. При этом знак плюс означает правое направление вращения плоскости поляризации, а знак минус – левое. Измерения, как правило, проводят на приборах называемых поляриметрами (рис.3). Свет, поступающий от источника (1), проходит через конденсор (2). Плоско параллельный пучок света проходит через полутеневой поляризатор (3,4). Далее поляризованный свет проходит через кювету с измеряемым оптически-активным веществом (5). Анализатор с отсчетным устройством (6) позволяет определить угол вращения поляризованного света.

Гидролиз сахарозы протекает по уравнению реакции:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O = C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + C₆H₁₂O₆ (фруктоза),

которая является псевдомономолекулярной. Являясь бимолекулярной по своему механизму, она подчиняется кинетическому уравнению для реакции первого порядка:

ln (C₀/C) = kt

где C₀ и C – соответственно начальная и текущая к моменту времени t концентрация сахарозы, k – константа скорости реакции. Значения концентрации в этом уравнении можно выразить через a:

ln (a₀-a_¥ /a_t-a_¥) = kt,

где a₀ и a_t – соответственно начальный и текущий к моменту времени t угол вращения. a_¥ отвечает углу вращения после окончания реакции гидролиза.

Цель работы: методом поляриметрии определить порядка реакции и константу скорости инверсии сахарозы и ее период полупревращения..

Приборы и материалы: полутеневойполяриметр, мерная колба на 50 мл, мерный цилиндр на 50 мл, стакан на 100 мл – 3 шт.

Реактивы: дистиллированная вода, сахароза, 4 моль/л раствор HCl.

Рисунок 9.3. Полутеневой поляриметр

· Приготовьте 50 мл 0,6 моль/л раствор сахарозы.

· Определите угол вращения исходного раствора a₀. Для этого выньте из прибора кювету для раствора. Заполните ее водой до образования выпуклого мениска. Накройте стеклышком так, чтобы под его поверхностью не образовались пузырьки воздуха. Завинтите крышку кюветы. Осушите кювету фильтровальной бумагой и при необходимости протрите стекла, закрывающие ее концы. Поместите кювету в поляриметр. Добейтесь с помощью настольной лампы и зеркала поляризатора хорошей освещенности зрительного поля окуляра. Найдите положение анализатора, при котором освещенность обоих полей окуляра одинакова. При правильной компенсации отсчет показаний по шкале нониуса должен дать величину 0.

· Отсчет показаний по шкале нониуса. На неподвижной верхней шкале вправо и влево нанесено 20 делений, цена деления 1⁰. На подвижной нижней шкале с обеих сторон от нуля нанесено по 10 делений с ценой деления 0,1⁰. Положение риски, отвечающей нулю на нижней шкале, на верхней шкале соответствует приблизительному (с точностью до единицы) значению угла вращения. Например, значение находится между 7 и 8. Для получения более точного значения, посмотрите на соответствие положения рисок двух шкал. Только одна из них по нижней шкале справа от 0 (при положительных значениях угла вращения) является продолжением риски верхней шкалы. Отсчет номера риски по нижней шкале даст число десятых долей градуса. Например, шестая риска от нуля приведет к общему значению 7,6.

· Замените воду в кювете на раствор сахарозы. Поместите кювету в поляриметр. При этом равномерная освещенность обеих частей поля нарушится. Вращением анализатора добейтесь равной освещенности полей. Произведите отсчет показаний a₀^'3-4 раза. Добейтесь, чтобы разброс показаний не превышал 0,2⁰.

· Приготовьте реакционную смесь. Для этого к 10 мл сахарозы добавьте 5 мл кислоты. В момент смешения включите секундомер. Этому моменту соответствует угол вращения a₀. Перелейте смесь в кювету поляриметра. Через две минуты после смешивания растворов запишите первое показание. Записывайте показания прибора в течение 50 минут с интервалом между записями 2 минуты. По мере протекания гидролиза сахарозы в растворе угол вращения плоскости поляризации уменьшается до нуля и становится отрицательным, поэтому данную реакцию называют инверсией (обращением) сахарозы.

· После окончания записи выньте раствор и с помощью термометра определите его температуру.

· Рассчитайте начальный угол вращения a₀₌a₀^'*V_с/(V_с+V_к), где V_с и V_к объем раствора сахарозы и раствора кислоты, соответственно.

· Рассчитате a_¥ по формуле a_¥ = -0,311a₀

· Постройте график зависимости ln((a₀- a_∞)/(a_t- aX_∞)) – время с момента сливания растворов.

· Определите, является ли полученная зависимость линейной. О чем это свидетельствует?

· Определите константу скорости инверсии сахарозы в условиях эксперимента.