VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

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: сахариметр универсальный (СУ -5), водяная баня, электрическая плитка, 3 конические колбы вместимостью 100 мл, 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: v=±1Vdndt

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:

k=1τlnС0С0-∆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 α_τ раствор сахарозы разбавляется в два раза.

Определение α_τ – 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 α_τ.

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 - α_τ – количество сахарозы, прореагировавшее за время τ.

α_τ - α_∞ - концентрация непрореагировавшей сахарозы в данный момент времени.

Константа скорости вычисляется по формуле: k=1τlnα0-α∞ατ-α∞;

lnατ-α∞=lnα0-α∞-kτ

Опыт 1: Определение константы скорости реакции гидролиза сахарозы t=27ºC

α₀= 22,50; α_∞= -12,30; α₀ - α_∞=34,80

№ опыта	Время от начала реакции, τ, мин	ατ	ατ - α∞	ln(ατ - α∞)	lnα0-α∞ατ-α∞	k, мин-1
1	10	19,00	31,30	3,44	0,106	0,011
2	15	15,70	28,00	3,33	0,217	0,015
3	25	11,70	24,00	3,17	0,372	0,015
4	40	6,70	19,00	2,94	0,605	0,015
5	55	3,50	15,80	2,76	0,789	0,014
6	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(α_τ - α_∞) =f (τ).

k=tgα=ba=0,852=0,015

Рис.1. График зависимости ln(α_τ - α_∞) от времени при t =27 ⁰С

Опыт 2: определение константы скорости реакции гидролиза сахарозы t=38ºCα₀= 18,63; α_∞= -11,40; α₀ - α_∞=30,03

№ опыта	Время от начала реакции, τ, мин	ατ	ατ - α∞	ln(ατ - α∞)	lnα0-α∞ατ-α∞	k, мин-1
1	5	13,68	25,08	3,22	0,180	0,036
2	9	10,88	22,28	3,10	0,299	0,033
3	13	8,60	20,00	3,00	0,406	0,031
4	17	5,65	17,05	2,84	0,566	0,033
5	21	-4,78	6,62	1,89	1,512	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(α_τ - α_∞) от времени, определили константу скорости по тангенсу угла наклона прямой:

k = tgα=ba=0,618,5=0,033

Рис.2. График зависимости ln(α_τ - α_∞) от времени при t =38⁰С

Т.о., при обеих температурах графически найденные константы скорости равны расчетным

Расчет энергии активации

EA=RT1T2T2-T1lnk2k1; E_A= 55682 Дж/моль

Расчет температурного коэффициента реакции:

Правило Вант-Гоффа: ^{k2=k1γ(T2-T1)10}

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: E_A= 55682 Дж/моль; рассчитан температурный коэффициент: γ = 2,18.

Литература:

Гельфман М.И. Практикум по физической химии. - СПб.: Лань, 2004.

Код для цитирования: Скопировать