Теоретичні відомості

При реакції гідролізу цукру(I) утвориться глюкоза(II) і фруктоза (III):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

(I) (II) (III)

Всі три речовини володіють асиметричним атомом вуглецю й оптично - активні. Водяний розчин цукру обертає площину поляризації минаючого світла вправо, розчин продуктів реакції - уліво. Під час плину реакції праве обертання змінюється лівим, тому її називають інверсією (обертанням). Ця реакція практично необоротна й бімолекулярна. Оскільки інверсія протікає у водному розчині, де молярна концентрація води значно більше молярної концентрації сахарози, то збиток води за рахунок реакції мала в порівнянні із загальною кількістю води в системі, і зміст її навіть у порівняно концентрованих розчинах можна вважати постійним. Оскільки швидкість інверсії залежить тільки від концентрації сахарози, то ця реакція протікає по першому порядку.

Гідроліз цукру в нейтральному водному розчині практично не йде: його прискорюють, додаючи каталізатор - сильну кислоту.

Константу швидкості реакції обчислюють із рівняння (7.8), а для вираження відношення концентрацій у ньому користуються властивістю оптичної активності розчину.

При пропущенні поляризованого світла (тобто світла, у якому коливання проходять у певній площині) крізь розчин оптично активної речовини площина поляризації повертається. Кут обертання площини поляризації (коротко - кут обертання α ) пов'язаний з концентрацією С та товщиною шару розчину співвідношенням

═ ± ас

Величина апри С = 1 г/мл і =1 дмназивається питомим обертанням. Знаки "+" і "−" відповідають правому й лівому обертанню. У цукру а = + 66,55º, у глюкози а = + 62,56º, у фруктози а = − 91,9˚.

Кут обертання суміші оптично активних речовин являє собою алгебраїчну суму кутів обертання окремих речовин (властивість адитивності кута обертання суміші).

Кут обертання даного розчину визначають поляриметром, істотними частинами якого (рис.7.1) є поляризатори 3, 4 і аналізатор 6. Поляризатором і аналізатором служать призми Ніколя, які найкраще пропускають світло, поляризований у площині, перпендикулярної до площини головного перетину

1 2 3 4 5 7 6 8

Рис.7.1

 

Якщо головні перетини в призмах поляризатора й аналізатора встановлені паралельно, то світло, поляризоване поляризатором, пройде через аналізатор. Якщо головні перетини перпендикулярні /призми схрещені/, то світло загаситься аналізатором. При інших взаємних розташуваннях головних перетинів інтенсивність світла міняється від нуля до максимуму. Поляризатор складається з двох призм Ніколя. Одна з них 3 показує все поле зору, спостережуване через окуляр 8, а друга - його половину. Головний перетин цієї призми встановлено під малим кутом по відношенню до головного перетину великої призми. Призма аналізатора може обертатися навколо оптичної осі приладу. При її обертанні змінюється освітленість поля зору.

При установці головного перетину призми аналізатора перпендикулярно до головного перетину великої призми поляризатора половина поля, що відповідає схрещеним призмам, стає темною, тому що наявність малої призми перешкоджає схрещуванню. Якщо обертати аналізатор до затемнення протилежної сторони поля, то світиться перша половина. Можна домогтися й проміжної однакової освітленості всього поля. Тоді установку вважають нульовою: невеликий поворот аналізатора в ту або іншу сторону утворить у полі зору півтінь (звідси й назва поляриметра цього типу – напівтіньовий).

Якщо після установки нульового положення помістити між поляризатором і аналізатором трубку 5 з розчином оптично активної речовини, повертаючим кут α, то з'явиться півтінь. Щоб повернутися до нульового положення, варто повернути аналізатор на той самий кут α, відлічуваний ноніусом з точністю до 0,1˚ на шкалі 7, що пересувається при обертанні аналізатора. Джерело світла повинно бути монохроматичним. При користуванні білим світлом використовують світлофільтр 2, звичайна складова частина поляриметра.

Існують інші типи поляриметрів: у них поле зору складається із трьох (застосований поляриметр у даній роботі) або двох концентричних частин. Устрій цих поляриметрів принципово не відрізняється від описаного.

 

Послідовність виконання роботи

Приготувати 20%-й розчин цукру. Для цього на технічних вагах відважити 10 г цукру, помістивши його в мірну колбу місткістю 50 мл, довести її обсяг до мітки водою. Якщо розчин мутний його потрібно отфільтрувать. Потім піпеткою відібрати в плоскодонну колбу 25 мл 4н. розчину HCl. Колбу занурити в термостат при 40ºC на 3-3,5 години.

Підготовка до роботи поляриметра

1). Знайти нульове положення аналізатора. Необхідна різкість зображення досягається висуванням окуляра й установкою джерела світла на відповідній висоті й відстані від поляризатора. Відлік по шкалі ведуть за допомогою ноніуса. Якщо при однаковій освітленості поля нуль шкали не збігається з нулем ноніуса, то різниця, тобто відлік по шкалі, у цьому випадку являє собою інструментальне виправлення α_n. Знак виправлення вважають позитивним, якщо нуль ноніуса розташований у позитивному напрямку від нуля шкали. Дійсні кути обертання знаходять відніманням інструментального виправлення (з її знаком) з отриманих значень.

2). Для швидкого заповнення трубки без пухирців повітря, попередньо варто навчитися заповнювати її водою: трубку, тримаючи вертикально, заповнюють так, щоб утворився опуклий меніск, потім обережно збоку насувають покривне скло й нагвинчують притискну гайку. Наповнену трубку обтирають зовні фільтрувальним папером, звернувши особливу увагу на чистоту, сухість і прозорість стінок, що закривають кінці трубки, і поміщають у жолобок поляриметра в крайнє положення, найближче до окуляра.

До 25 мл розчину цукру, що залишились додають 25 мл розчину кислоти заданої концентрації 4н. Момент зливання кислоти з розчином цукру відзначити (з точністю до 1 хв) як момент початку реакції. Суміш негайно ретельно перемішують і швидко вливають у добре вимиту поляриметричну трубку, попередньо ополіснувши її невеликою кількістю досліджуваного розчину. При наповненні трубки потрібно стежити за тим, щоб у неї не потрапило повітря, тому що пухирці повітря викликають у полі зору появу темних плям.

Враховувати значення варто тільки після одержання чіткого зображення шкали й поля зору при обертанні відповідної муфти на зоровій трубці поляриметра.

Кут обертання визначається по напівтіньовому положенню поляриметра через різні проміжки часу від початку реакції. Чим більше концентрація каталізатора (кислоти), тим частіше варто відраховувати кути обертання, постійно збільшуючи проміжки часу зняття показників. Наприклад, з каталізатором 4н розчину HCl варто виконати 2-3 виміра через 3хв, 1-2 виміра через 5хв, 1-2 виміра через 10хв і т.д. Усього варто зробити 10-12 визначень, при цьому записати показання шкали приладу й відповідний йому час за годинником (всі визначення варто проводити по можливості швидко).

Після всіх вимірів варто визначити кут , що відповідає кінцю реакції розчину, що перебуває в термостаті, попередньо остудивши його до кімнатної температури.

Оскільки кислота руйнує металеву оправу поляриметричної трубки, необхідно негайно ж після закінчення досліду трубку промити ретельно дистильованою водою й висушити.

Отриманий у такий спосіб граничний кут (кінцевий) кут обертання буде негативним, тому що в розчині перебувають глюкоза й фруктоза, що викликають ліве обертання. Усякий проміжний кут обертання визначається тим, що в розчині містяться всі три речовини.

Припустимо, що в момент t₁ залишилася непроінвертованой частка цукру y₁. Кут обертання визначається цією часткою й дорівнює α₀ y₁. З іншого боку, частка продуктів інверсії становить

1 - y₁. Наприкінці реакції кут обертання цих продуктів був би дорівнює , а в момент t₁ він дорівнює (1 - y₁).

За властивістю адитивності кут обертання в момент t₁ дорівнює:

α₁= α₀ y₁+(1 - y₁), звідки y₁=.

Аналогічно в момент t₂: y₂=.

Очевидно, концентрація непроінвертованного цукру в момент t₁ і t₂ дорівнює сy₁ і сy₂. Тому на підставі рівняння (7.8)

Якщо покласти α₁= α₀ при t₁= 0 і α₂ = α_t при t₂= t_1,то

(7.18)

Формулою (7.18) варто користуватися для розрахунку k. Всі кути вводять із інструментальним виправленням у випадку, коли вона перевищує 0,2º. Результати спостережень звести в таблицю 7.3.

 

Температура досвіду, ºC _____________

Інструментальне виправлення α _n_______________

Початковий кут обертання α₀ ________________

Момент змішування _______год________хв

Концентрація HCl _____________

Таблиця 7.3

№ вимірювання	Час астрономічний	Час від початку реакції t,хв	Знайдений кут,	Кут αt з урахуванням похибки		lg()	k	kcp

 

За результатами досвіду обчислити константу швидкості реакції при даній температурі для кожного моменту, крім t = 0 і t = . Кут α_0, що відповідає моменту початку реакції, практично визначити не вдається, тому що від початку реакції до першого виміру проходить значний час, тому α₀ визначається екстраполяцією. На міліметровому папері побудувати графік у координатах lg() – t (рис 7.2) і екстраполяцією отриманої лінії до t = 0 визначити lg(), а потім розрахувати α_0.

t, хв.

Рис.7.2. Графік зміни швидкості реакції в часі, lg() = f(t).

 

Обчислити константу швидкості реакції при даній температурі для кожного моменту часу й розрахувати k_cp ; обчислити, за який час інверсія пройде на 50%.

Побудувати графік lg() = f(t), що характеризує зміну швидкості реакції в часі.